朱 琳
(陜西烽火集團烽火佰鴻公司,陜西 西安 710021)
目前,LED路燈光源腔均采用密封腔體結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)對內(nèi)部的LED燈芯起到了防水防塵的保護作用。這種密封腔體結(jié)構(gòu)盡管解決了LED燈光源安裝在室外出現(xiàn)短路、銹蝕等難題,但同時又帶來了新的問題。LED路燈在長時間使用下,密封腔體經(jīng)常會出現(xiàn)微孔和裂縫,從而引起“呼吸效應(yīng)”。造成腔體內(nèi)線路故障、零件銹蝕,在溫差變化大、濕度大的地區(qū)尤為嚴重,怎樣有效地解決“呼吸效應(yīng)”已經(jīng)成為LED路燈設(shè)計中必須要考慮的問題。
近年來,LED路燈發(fā)展迅速,具有節(jié)能、壽命長、亮度高、均勻性好等優(yōu)點。LED路燈工作時晝夜溫差、四季溫差都比較大,再加上LED燈芯的發(fā)光效率僅為15%左右,其余85%均轉(zhuǎn)化為熱能,而且一些沿海地區(qū)的空氣濕度較高。所以,LED路燈更容易出現(xiàn)“呼吸效應(yīng)”。以某地區(qū)的路燈為例,其工作環(huán)境及要求如下:①工作溫度:-40℃~+50℃;②存儲溫度:-50℃~+70℃;③相對濕度:室外最大為 95%(25℃);④工作海拔:≤4000m;⑤連續(xù)工作時間:14h;⑥具有防潮、防鹽霧、防霉菌功能;
由熱膨脹冷縮原理可知密封腔體內(nèi)的氣體壓強隨溫度變化而變化。從理想氣體狀態(tài)方程可知:
式中,P為氣體壓強;V為氣體的體積;T為氣體的熱力學(xué)溫度;R為氣體常數(shù);n為氣體物質(zhì)的量。當密封腔體內(nèi)氣體的溫度變換時,氣體的壓強也會隨之變化。
當空氣中相對濕度比較大時,溫度降低較嚴重時,易發(fā)生冷凝現(xiàn)象。相對濕度是表示空氣中的水汽離飽和狀態(tài)遠近的一個物理量。在一定的溫度下空氣中實際水汽壓強(e)與該溫度下的飽和水汽壓強值(E)的比值百分數(shù)稱為相對濕度:
空氣中的含水量:
式中:φ為相對濕度(%);F為飽和水汽密度(g/m3);為密封腔體內(nèi)空氣體積(m3)。
不同溫度下的飽和水汽密度不同,可以通過查表得到。則有凝水量:△f=△φ·△F·v
實驗表明密封腔體內(nèi)出現(xiàn)積水現(xiàn)象,主要原因并不是“冷凝現(xiàn)象”。密封腔體內(nèi)壓強的周期性變化將導(dǎo)致腔體外殼周期性出現(xiàn)凹陷和突起的現(xiàn)象,長時間使用將導(dǎo)致密封失效,出現(xiàn)微孔和裂縫。當密封腔體出現(xiàn)微孔和裂縫時,溫度變化引起的內(nèi)外壓差將促使氣體在裂縫處流動,最終達到腔體內(nèi)外氣壓平衡。環(huán)境溫度每天都在變化,溫度升高時,氣體就會被排除;溫度減低時,氣體就會被吸入,這就是所說的“呼吸效應(yīng)”?!昂粑?yīng)”不僅可以呼吸大氣,也可以將裂縫或小孔附近的液體吸入腔體內(nèi),特別是夏天突發(fā)大雨時,溫度較高的腔體壁被突發(fā)的雨水澆濕,溫度急劇下降,形成吸水效應(yīng),造成腔體內(nèi)出現(xiàn)積水現(xiàn)象,進而造成線路故障、零件銹蝕等問題。
(1)人工肺。“人工肺”是保持密封腔內(nèi)外壓強接近的一種空氣冗余器,一般采用薄膜膠管制作,“人工肺”采用密封結(jié)構(gòu)與密封腔體連接。
當密封腔體溫度急劇下降時,為保持密封腔體內(nèi)外壓強平衡,需要使腔體內(nèi)的氣體體積發(fā)生變化,外界大氣會將空氣壓入“人工肺”補充密封腔體內(nèi)的體積,從而消除了“呼吸效應(yīng)”,保護了腔體內(nèi)元器件和線路。
(2)呼吸器。呼吸器是一種注塑螺紋式防水防塵透氣閥,主要起到保護敏感電子產(chǎn)品,防水防塵透氣散熱的作用,直接旋入使用,安裝簡單方便。
圖1 透氣閥原理示意圖
防水透氣膜是呼吸器的關(guān)鍵件,該透氣膜是使用一種有數(shù)十億個微孔的漲體聚四氟乙烯新型防水透氣材料(ePTFE)和織布組成,能使空氣很容易穿透薄膜,同時也能捕捉到0.1微米的顆粒,它具有很強的拒水性和輸油性。能夠平衡發(fā)熱密封部件與外界的氣壓,同時又能防水,防油以及各種粉塵和雜物。O型密封圈通過預(yù)壓力變形,有效的起到使呼吸器和密封腔連接處密封的作用。
圖2 防水透氣模原理示意圖
安裝了呼吸器的密封腔與外界大氣相通,溫度變化所引起的壓強差,為使腔體的氣壓與外界平衡,需要一定量的氣體流通,這部份氣體體積用ΔV表示。
以一個200W的LED路燈為例,計算夏天突發(fā)大雨時密封腔體內(nèi)外大氣壓平衡所需空氣體積,環(huán)境溫度25℃,路燈的工作溫度為-40℃~+50℃,密封光源腔內(nèi)體積為3500ml,大氣壓1個標準大氣壓。根據(jù)式計算得,ΔV為270ml。
防水防塵透氣閥首先應(yīng)根據(jù)LED路燈的IP防護等級要求;其次,考慮LED路燈需要在多長時間內(nèi)可以達到內(nèi)外氣壓平衡,根據(jù)LED路燈所需的通氣量和時間的比值,選擇相應(yīng)規(guī)格的防水防塵透氣閥;最后,根據(jù)所選呼吸器尺寸對產(chǎn)品進行開孔,以保證呼吸器與應(yīng)用產(chǎn)品的緊密結(jié)合,加強氣密性。本文根據(jù)LED路燈的要求選取POVM12PM1防水防塵透氣閥,其詳細參數(shù)見表1。
表1 防水防塵透氣閥的詳細參數(shù)
本文對LED室外路燈密封腔體的設(shè)計問題進行了探討,介紹了呼吸效應(yīng)的原理,介紹了兩種消除呼吸效應(yīng)的措施;最后通過對LED室外路燈密封腔體設(shè)計的研究,在密封腔體上安裝防水防塵透氣閥,有效的解決了“呼吸效應(yīng)”產(chǎn)生裂縫和產(chǎn)生冷凝水的問題。
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