深海照明灯结构设计中的热分析

刘水清，吴国庆，王永军，潘广善

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

在21世纪伊始，中国提出建设海洋强国的发展目标，海洋研究蓬勃发展，不断向深远海推进，诸如“蛟龙号”“深海勇士号”“潜龙号”等潜水器相继投入使用。由于深海特殊的黑暗环境，深海照明灯是潜水器的必备装置，当前照明灯主要采用耐压结构将照明光源和电路板封装后配置于潜水器上。但是，考虑到光源和配套电路板工作过程会产生大量的热，且封闭的耐压结构不利于散热，通常不能连续长时间开启，仅在必要时短时间使用，然后将其关闭，不利于潜水器开展长时间的连续观测活动。针对这一问题，采用有限元方法对水下照明灯耐压结构的温度场进行计算和对比分析，提出较为合理的结构方案，并在深海观测系统中成功进行了超过一个月的连续无故障开启。

1 深海水下照明的结构特点

深海照明灯的主要结构包括光源、电路板和耐压壳体。当前，潜水器使用的主要光源有白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯和LED灯。其中LED灯是一种半导体装置，属于场致发光，具有体积小、抗震性能好、寿命长和发光效率高的特点，应用最为广泛。高强度气体放电灯不存在灯丝断裂的风险，更抗冲击和震动，并且穿透性好，发光强度大，在潜水器照明系统中应用也较多。电路板作用是将输入电源转换为光源所需电压，并保证稳定供电，通常与光源共同集成于耐压壳体内。耐压壳体作为重要组成部分，用于抵抗高压水环境，为光源和电路板创造密闭常压工作环境。

2 研究对象

深海照明灯结构如图1所示，采用有机玻璃作为透光窗口，耐压壳体使用316不锈钢，100 W光源与电路板采取背靠背的方式布置，在尾端盖上有水密接设计的插件接口，用于连接外部电源线。

在完全接触的两个物体之间，如果存在温度梯度，将引起内能交换，热传导遵循傅里叶定律，即：

式中，q为热流密度；k为导热系数，负号表示热量流向温度低的方向。

光源、电路板与不锈钢间使用导热硅胶紧密接触，为简化计算模型，不考虑热辐射，不计光源、电路板和导热硅胶体积，在相应位置设置热流密度为70 W/m2的热源。深海照明灯外表面与水接触面的热交换功率为3 kW/m2·℃，水环境温度设定为25℃。

3 材料参数

深海照明灯结构热分析所涉及的304不锈钢、有机玻璃及空气的导热系数、比热容和密度如表1所示。

表1 材料参数

4 有限元计算分析

利用有限元软件ANSYS对深海照明灯进行热分析。由于深海照明灯为轴对称结构，故只建立轴向1/4模型进行计算和求解，模型如图2所示。

有限元模型采用SOLID278单元进行离散，在对称面上施加绝热边界条件，在外表面施加3 kW/m2·℃热交换功率和25 ℃环境温度边界条件，在光源和电路板位置施加70 W/m2热源。由于灯体内空间很小，不考虑空气对流，同样使用SOLID278单元离散灯体内的空气。

经过计算，温度场如图3、图4所示。光源和电路板位置温度较高，分别达到388.7 ℃和373.2 ℃，透光窗口靠近光源一侧最高温度达到111.8 ℃，已经超过有机玻璃的玻璃化温度（约104 ℃），接近有机玻璃软化温度（约113 ℃）。该结构因局部温度过高导致电路板、光源烧坏，有机玻璃内表面开裂。

深海照明灯在高压水环境中连续开启2 h后，光源被烧坏，有机玻璃内表面出现银纹，如图5所示。

对前述深海照明灯结构进行修改，提高结构散热效率，以达到降低关键位置温度的目的。在电路板与光源之间开设横向贯穿的“十字”交叉孔，外界水可进入两者间，增大散热面积。

修改后，重新进行有限元计算，得到整体和透光窗口的温度场如图6、图7所示。结构温度降低效果明显，光源和电路板位置温度分别降至210 ℃和173 ℃，透光窗口靠近光源一侧最高温度降至66.4 ℃。

为进一步降低有机玻璃内表面的温度，将光源与有机玻璃的距离由原来的10 mm调整至25 mm。重新计算后得到整体和透光窗口的温度场如图8、图9所示。不锈钢耐压结构温度场基本没有发生变化，有机玻璃内表面温度降幅较大，降至40.5 ℃，并且内表面温度分布趋于均匀。

5 试验验证与应用

为检验上述计算分析的正确性，采用经过两次修改后的方案进行验证，将深海照明灯放置于高压环境模拟装置中，并接通电源，最高试验压力为78 MPa，保持24 h。

试验装置如图10、图11所示，深海照明灯电源线通过水密接插件由深海压力模拟罐顶部引出，采用高压泵站对压力模拟罐加压。

在试验结束后，将深海照明灯取出，清洗干净后仔细检查，未发现损伤，在空气中通电能正常发光，如图12所示。说明经过两次修改后的深海照明灯能满足高压环境下长时间连续工作的要求，随后应用在深远海立体观测/监测/探测系统中，实现连续超过一个月无故障使用。

6 结论

采用有限元方法，对100 W深海照明灯作热分析，两次改进结构，提出在高压环境中长时间连续使用的深海照明灯方案，并通过实际应用检验得出以下结论。

1）深海照明灯在工作过程中会产生大量的热量，由于结构需要承受高压水环境及设备重量限制，深海照明灯设计较为紧凑，不利于热量散发。因此，需对耐压壳体进行优化设计，提高散热效率，以防内部温度过高。

2）在电路板和光源之间开设横向贯穿的“十字”交叉孔，增大光源与有机玻璃的距离，可以显著降低灯体内部和有机玻璃内表面温度。