洪曉松

戶外LED燈具壓力平衡呼吸器的原理及應(yīng)用

洪曉松

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2009A080301007）

洪曉松 張成良 姜元方 胡尋案

惠州雷士光電科技有限公司

隨著城市化的不斷發(fā)展，節(jié)能減排是不可逆的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的戶外燈具已被綠色環(huán)保、高效、長(zhǎng)壽命的LED燈具逐漸淘汰。本文根據(jù)戶外LED燈具的工作環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特性，從理想氣體狀態(tài)方程出發(fā)，分析燈具呼吸效應(yīng)產(chǎn)生的原因及其危害。同時(shí)介紹了壓力平衡呼吸器（透氣閥）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，為戶外燈具設(shè)計(jì)提供了參考。

概述

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，我國城市化水平越來越高，在城市化飛速發(fā)展的今天，戶外照明工程也得到了大力發(fā)展。其中，LED燈具作為戶外照明工程的主要組成部分，在能源資源日趨緊張的情況下，需要朝著高效、節(jié)能、環(huán)保和健康的方向發(fā)展。

目前，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，能源資源越來越緊張，在這種情況下，我國開始大力推廣節(jié)能減排項(xiàng)目。在城市照明中，以戶外照明為主，傳統(tǒng)的戶外照明如路燈是光效很低的高壓鈉燈，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，與節(jié)能減排的大環(huán)境相違背。綠色環(huán)保、節(jié)能高效、高顯色性、長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)集一身的LED戶外燈具可以很好地取代傳統(tǒng)戶外照明燈具，這也是未來戶外照明的發(fā)展趨勢(shì)。

呼吸效應(yīng)對(duì)燈具的影響

隨著LED照明的普及，越來越多應(yīng)用在道路照明、景觀照明等場(chǎng)合的LED燈具。由于戶外等工作環(huán)境甚為嚴(yán)酷，要求燈具能在高溫、嚴(yán)寒、雨水等狀態(tài)中正常工作，因此戶外燈具的結(jié)構(gòu)達(dá)到IP65的防塵防水等級(jí)，為一個(gè)密閉的腔體結(jié)構(gòu)。除了工作環(huán)境溫度、濕度等的變化影響，戶外LED燈具工作時(shí)也會(huì)因電能對(duì)光能的轉(zhuǎn)換效率問題而產(chǎn)生較高的溫度。從理想氣體狀態(tài)方程

PV=nRT

（P為氣體壓強(qiáng)，V為氣體體積，n為氣體物質(zhì)的量，T為氣體熱力學(xué)溫度）

可見，當(dāng)燈具溫度升高，內(nèi)部壓強(qiáng)將會(huì)增加，與大氣形成壓力差，如果燈具存在一定的縫隙，腔體內(nèi)的氣體就會(huì)泄出，當(dāng)燈具溫度下降，內(nèi)部氣壓降低，外面的空氣甚至水氣將滲入，這便是腔體呼吸效應(yīng)的過程。即使新的燈具氣密性良好，在長(zhǎng)期工作中發(fā)生老化導(dǎo)致氣體（水氣）滲透，長(zhǎng)期的正負(fù)壓力差交替將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件銜接的縫隙變大，最終導(dǎo)致密閉性變差，產(chǎn)生呼吸效應(yīng)。

呼吸效應(yīng)帶來最嚴(yán)重的問題是，水氣的滲入。一旦燈具內(nèi)部濕度增加，不僅導(dǎo)致透鏡上水珠凝結(jié)影響效果的現(xiàn)象，還會(huì)導(dǎo)致透鏡、光源等器件被腐蝕、加速老化，甚至導(dǎo)致電器短路等引起各種安全問題。另外即使氣壓差不足以導(dǎo)致呼吸效應(yīng)，密閉的腔體高溫時(shí)產(chǎn)生的高壓，對(duì)光源和透鏡會(huì)有所損害。因此，保證戶外LED的使用壽命，維持燈具內(nèi)外氣壓平衡十分必要。

壓力平衡呼吸器（透氣閥）的結(jié)構(gòu)及原理

通過對(duì)呼吸效應(yīng)的理解及高分子材料的發(fā)展和應(yīng)用，針對(duì)上述的問題，戶外LED燈具的設(shè)計(jì)可以通過加裝壓力平衡呼吸器，即透氣閥來解決。

呼吸器的基本結(jié)構(gòu)

顧及戶外燈具IP要求，呼吸器的防水防塵等級(jí)也要達(dá)到IP65或以上。呼吸器通常為螺紋式注塑件（圖1），考慮到高溫及耐久性也有金屬材質(zhì)的呼吸器。

圖1 呼吸器實(shí)物圖

呼吸器主要由安裝件、硅膠（橡膠）密封圈、膨體聚四氟乙烯（ePTFE）透氣膜和頂蓋組成（圖2）。

圖2 呼吸器剖面結(jié)構(gòu)圖

膨體聚四氟乙烯的特性

呼吸器中最為關(guān)鍵的部件就是ePTFE薄膜。ePTFE是由PTFE（聚四氟乙烯）通過特殊的成型加工工藝制作的材料。ePTFE具有纖維化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些微細(xì)的纖維經(jīng)節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微細(xì)的纖維間形成無數(shù)的細(xì)孔。由于材料和結(jié)構(gòu)的特性，ePTFE具有極佳的柔韌性、模塑性以及極好的填充性、自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，其中對(duì)呼吸器最為重要的特點(diǎn)是其極差的親水性和吸附性，以及透氣性和極好的耐腐蝕性。ePTFE密集的氣孔可以允許空氣通過，但對(duì)于微粒和水氣有良好的阻隔能力，加上耐腐蝕長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)讓它成為了制作戶外LED燈具呼吸器的極佳材料。

密封性能卓越

膨體聚四氟乙烯密封帶具有高度的可壓縮性，極其容易填滿密封面上存在的空洞和溝槽，很好地堵塞界面的泄漏，并且在受到張力作用時(shí)，有回彈膨脹的特性。因此，內(nèi)部介質(zhì)壓力越高，密封作用力越大，這是聚四氟乙烯密封帶最神奇之特性。

使用方便快捷

剪取一段一定長(zhǎng)度的密封帶，只要兩端交叉相迭，即可以構(gòu)成一個(gè)任意尺寸、任意形狀的密封圈，附在密封帶上的粘膠帶能使密封帶固定在工作位置上以方便安裝，形成很好的包圍密封。

經(jīng)久耐用

聚四氟乙烯具有非常優(yōu)越的耐腐蝕性、不老化性，經(jīng)過特殊加工后的密封帶，被賦予了很好的耐蠕變性，并且具備在很寬的溫度范圍內(nèi)能長(zhǎng)期安全使用的性能。

清潔干凈

聚四氟膨體密封帶為白色純聚四氟乙烯制品，因其不會(huì)被腐蝕、不會(huì)老化，因此不會(huì)因脫落而污染所接觸的流體。

呼吸器的應(yīng)用

呼吸器安裝于LED燈體上，使內(nèi)部空氣與大氣通過ePTFE薄膜交換氣體。當(dāng)燈體內(nèi)溫度發(fā)生變化，氣體膨脹或壓縮時(shí)，與外部大氣形成壓力差，空氣將通過ePTFE流動(dòng)，使燈體內(nèi)部氣壓與大氣壓保持平衡，同時(shí)隔絕水氣的進(jìn)入，合理利用呼吸效應(yīng)解決了氣壓差帶來的影響，保證燈具的正常工作，延長(zhǎng)了燈具的使用壽命。

總結(jié)

LED作為第四代固態(tài)光源取代傳統(tǒng)光源已經(jīng)是大勢(shì)所趨，節(jié)能減排的一系列政策的出臺(tái)更是加快了城市戶外照明的更新?lián)Q代。使用壽命長(zhǎng)是LED燈具的優(yōu)勢(shì)之一，面對(duì)惡劣的戶外環(huán)境，壓力平衡呼吸器是十分重要的保護(hù)器件。本文通過對(duì)呼吸效應(yīng)到呼吸器材料的討論，論證了呼吸器對(duì)戶外LED燈具的保護(hù)作用，有效解決了燈具裂縫產(chǎn)生及水氣滲入的問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.053