深海照明燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的熱分析

劉水清，吳國慶，王永軍，潘廣善

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

在21世紀(jì)伊始，中國提出建設(shè)海洋強(qiáng)國的發(fā)展目標(biāo)，海洋研究蓬勃發(fā)展，不斷向深遠(yuǎn)海推進(jìn)，諸如“蛟龍?zhí)枴薄吧詈Ｓ率刻枴薄皾擙執(zhí)枴钡葷撍飨嗬^投入使用。由于深海特殊的黑暗環(huán)境，深海照明燈是潛水器的必備裝置，當(dāng)前照明燈主要采用耐壓結(jié)構(gòu)將照明光源和電路板封裝后配置于潛水器上。但是，考慮到光源和配套電路板工作過程會產(chǎn)生大量的熱，且封閉的耐壓結(jié)構(gòu)不利于散熱，通常不能連續(xù)長時(shí)間開啟，僅在必要時(shí)短時(shí)間使用，然后將其關(guān)閉，不利于潛水器開展長時(shí)間的連續(xù)觀測活動。針對這一問題，采用有限元方法對水下照明燈耐壓結(jié)構(gòu)的溫度場進(jìn)行計(jì)算和對比分析，提出較為合理的結(jié)構(gòu)方案，并在深海觀測系統(tǒng)中成功進(jìn)行了超過一個(gè)月的連續(xù)無故障開啟。

1 深海水下照明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

深海照明燈的主要結(jié)構(gòu)包括光源、電路板和耐壓殼體。當(dāng)前，潛水器使用的主要光源有白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈和LED燈。其中LED燈是一種半導(dǎo)體裝置，屬于場致發(fā)光，具有體積小、抗震性能好、壽命長和發(fā)光效率高的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。高強(qiáng)度氣體放電燈不存在燈絲斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，更抗沖擊和震動，并且穿透性好，發(fā)光強(qiáng)度大，在潛水器照明系統(tǒng)中應(yīng)用也較多。電路板作用是將輸入電源轉(zhuǎn)換為光源所需電壓，并保證穩(wěn)定供電，通常與光源共同集成于耐壓殼體內(nèi)。耐壓殼體作為重要組成部分，用于抵抗高壓水環(huán)境，為光源和電路板創(chuàng)造密閉常壓工作環(huán)境。

2 研究對象

深海照明燈結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用有機(jī)玻璃作為透光窗口，耐壓殼體使用316不銹鋼，100 W光源與電路板采取背靠背的方式布置，在尾端蓋上有水密接設(shè)計(jì)的插件接口，用于連接外部電源線。

在完全接觸的兩個(gè)物體之間，如果存在溫度梯度，將引起內(nèi)能交換，熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律，即：

式中，q為熱流密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號表示熱量流向溫度低的方向。

光源、電路板與不銹鋼間使用導(dǎo)熱硅膠緊密接觸，為簡化計(jì)算模型，不考慮熱輻射，不計(jì)光源、電路板和導(dǎo)熱硅膠體積，在相應(yīng)位置設(shè)置熱流密度為70 W/m2的熱源。深海照明燈外表面與水接觸面的熱交換功率為3 kW/m2·℃，水環(huán)境溫度設(shè)定為25℃。

3 材料參數(shù)

深海照明燈結(jié)構(gòu)熱分析所涉及的304不銹鋼、有機(jī)玻璃及空氣的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度如表1所示。

表1 材料參數(shù)

4 有限元計(jì)算分析

利用有限元軟件ANSYS對深海照明燈進(jìn)行熱分析。由于深海照明燈為軸對稱結(jié)構(gòu)，故只建立軸向1/4模型進(jìn)行計(jì)算和求解，模型如圖2所示。

有限元模型采用SOLID278單元進(jìn)行離散，在對稱面上施加絕熱邊界條件，在外表面施加3 kW/m2·℃熱交換功率和25 ℃環(huán)境溫度邊界條件，在光源和電路板位置施加70 W/m2熱源。由于燈體內(nèi)空間很小，不考慮空氣對流，同樣使用SOLID278單元離散燈體內(nèi)的空氣。

經(jīng)過計(jì)算，溫度場如圖3、圖4所示。光源和電路板位置溫度較高，分別達(dá)到388.7 ℃和373.2 ℃，透光窗口靠近光源一側(cè)最高溫度達(dá)到111.8 ℃，已經(jīng)超過有機(jī)玻璃的玻璃化溫度（約104 ℃），接近有機(jī)玻璃軟化溫度（約113 ℃）。該結(jié)構(gòu)因局部溫度過高導(dǎo)致電路板、光源燒壞，有機(jī)玻璃內(nèi)表面開裂。

深海照明燈在高壓水環(huán)境中連續(xù)開啟2 h后，光源被燒壞，有機(jī)玻璃內(nèi)表面出現(xiàn)銀紋，如圖5所示。

對前述深海照明燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，提高結(jié)構(gòu)散熱效率，以達(dá)到降低關(guān)鍵位置溫度的目的。在電路板與光源之間開設(shè)橫向貫穿的“十字”交叉孔，外界水可進(jìn)入兩者間，增大散熱面積。

修改后，重新進(jìn)行有限元計(jì)算，得到整體和透光窗口的溫度場如圖6、圖7所示。結(jié)構(gòu)溫度降低效果明顯，光源和電路板位置溫度分別降至210 ℃和173 ℃，透光窗口靠近光源一側(cè)最高溫度降至66.4 ℃。

為進(jìn)一步降低有機(jī)玻璃內(nèi)表面的溫度，將光源與有機(jī)玻璃的距離由原來的10 mm調(diào)整至25 mm。重新計(jì)算后得到整體和透光窗口的溫度場如圖8、圖9所示。不銹鋼耐壓結(jié)構(gòu)溫度場基本沒有發(fā)生變化，有機(jī)玻璃內(nèi)表面溫度降幅較大，降至40.5 ℃，并且內(nèi)表面溫度分布趨于均勻。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

為檢驗(yàn)上述計(jì)算分析的正確性，采用經(jīng)過兩次修改后的方案進(jìn)行驗(yàn)證，將深海照明燈放置于高壓環(huán)境模擬裝置中，并接通電源，最高試驗(yàn)壓力為78 MPa，保持24 h。

試驗(yàn)裝置如圖10、圖11所示，深海照明燈電源線通過水密接插件由深海壓力模擬罐頂部引出，采用高壓泵站對壓力模擬罐加壓。

在試驗(yàn)結(jié)束后，將深海照明燈取出，清洗干凈后仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)損傷，在空氣中通電能正常發(fā)光，如圖12所示。說明經(jīng)過兩次修改后的深海照明燈能滿足高壓環(huán)境下長時(shí)間連續(xù)工作的要求，隨后應(yīng)用在深遠(yuǎn)海立體觀測/監(jiān)測/探測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)超過一個(gè)月無故障使用。

6 結(jié)論

采用有限元方法，對100 W深海照明燈作熱分析，兩次改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提出在高壓環(huán)境中長時(shí)間連續(xù)使用的深海照明燈方案，并通過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)得出以下結(jié)論。

1）深海照明燈在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，由于結(jié)構(gòu)需要承受高壓水環(huán)境及設(shè)備重量限制，深海照明燈設(shè)計(jì)較為緊湊，不利于熱量散發(fā)。因此，需對耐壓殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高散熱效率，以防內(nèi)部溫度過高。

2）在電路板和光源之間開設(shè)橫向貫穿的“十字”交叉孔，增大光源與有機(jī)玻璃的距離，可以顯著降低燈體內(nèi)部和有機(jī)玻璃內(nèi)表面溫度。