深海照明燈結構設計中的熱分析

劉水清，吳國慶，王永軍，潘廣善

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

在21世紀伊始，中國提出建設海洋強國的發展目標，海洋研究蓬勃發展，不斷向深遠海推進，諸如“蛟龍號”“深海勇士號”“潛龍號”等潛水器相繼投入使用。由于深海特殊的黑暗環境，深海照明燈是潛水器的必備裝置，當前照明燈主要采用耐壓結構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生大量的熱，且封閉的耐壓結構不利于散熱，通常不能連續長時間開啟，僅在必要時短時間使用，然后將其關閉，不利于潛水器開展長時間的連續觀測活動。針對這一問題，采用有限元方法對水下照明燈耐壓結構的溫度場進行計算和對比分析，提出較為合理的結構方案，并在深海觀測系統中成功進行了超過一個月的連續無故障開啟。

1 深海水下照明的結構特點

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

2 研究對象

深海照明燈結構如圖1所示，采用有機玻璃作為透光窗口，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計的插件接口，用于連接外部電源線。

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

式中，q為熱流密度；k為導熱系數，負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熱硅膠緊密接觸，為簡化計算模型，不考慮熱輻射，不計光源、電路板和導熱硅膠體積，在相應位置設置熱流密度為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·℃，水環境溫度設定為25℃。

3 材料參數

深海照明燈結構熱分析所涉及的304不銹鋼、有機玻璃及空氣的導熱系數、比熱容和密度如表1所示。

表1 材料參數

4 有限元計算分析

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

有限元模型采用SOLID278單元進行離散，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。由于燈體內空間很小，不考慮空氣對流，同樣使用SOLID278單元離散燈體內的空氣。

經過計算，溫度場如圖3、圖4所示。光源和電路板位置溫度較高，分別達到388.7 ℃和373.2 ℃，透光窗口靠近光源一側最高溫度達到111.8 ℃，已經超過有機玻璃的玻璃化溫度（約104 ℃），接近有機玻璃軟化溫度（約113 ℃）。該結構因局部溫度過高導致電路板、光源燒壞，有機玻璃內表面開裂。

深海照明燈在高壓水環境中連續開啟2 h后，光源被燒壞，有機玻璃內表面出現銀紋，如圖5所示。

對前述深海照明燈結構進行修改，提高結構散熱效率，以達到降低關鍵位置溫度的目的。在電路板與光源之間開設橫向貫穿的“十字”交叉孔，外界水可進入兩者間，增大散熱面積。

修改后，重新進行有限元計算，得到整體和透光窗口的溫度場如圖6、圖7所示。結構溫度降低效果明顯，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最高溫度降至66.4 ℃。

為進一步降低有機玻璃內表面的溫度，將光源與有機玻璃的距離由原來的10 mm調整至25 mm。重新計算后得到整體和透光窗口的溫度場如圖8、圖9所示。不銹鋼耐壓結構溫度場基本沒有發生變化，有機玻璃內表面溫度降幅較大，降至40.5 ℃，并且內表面溫度分布趨于均勻。

5 試驗驗證與應用

為檢驗上述計算分析的正確性，采用經過兩次修改后的方案進行驗證，將深海照明燈放置于高壓環境模擬裝置中，并接通電源，最高試驗壓力為78 MPa，保持24 h。

試驗裝置如圖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。

在試驗結束后，將深海照明燈取出，清洗干凈后仔細檢查，未發現損傷，在空氣中通電能正常發光，如圖12所示。說明經過兩次修改后的深海照明燈能滿足高壓環境下長時間連續工作的要求，隨后應用在深遠海立體觀測/監測/探測系統中，實現連續超過一個月無故障使用。

6 結論

采用有限元方法，對100 W深海照明燈作熱分析，兩次改進結構，提出在高壓環境中長時間連續使用的深海照明燈方案，并通過實際應用檢驗得出以下結論。

1）深海照明燈在工作過程中會產生大量的熱量，由于結構需要承受高壓水環境及設備重量限制，深海照明燈設計較為緊湊，不利于熱量散發。因此，需對耐壓殼體進行優化設計，提高散熱效率，以防內部溫度過高。

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