梁海志，劉東靜，陸 翰，覃有硬

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

LED汽車(chē)燈具防霧裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁海志，劉東靜，陸 翰，覃有硬

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

LED作為第4代照明產(chǎn)品憑借節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)逐漸應(yīng)用于汽車(chē)照明領(lǐng)域，然而，隨之而來(lái)發(fā)現(xiàn)LED汽車(chē)燈具起霧現(xiàn)象普遍存在，既影響了車(chē)燈的照明效果又影響車(chē)燈的使用壽命，嚴(yán)重威脅了人們的出行安全。因此，本文提出一種基于濕度傳感器、加熱片和納米涂層的雙重防霧設(shè)計(jì)裝置，盡可能地減少燈內(nèi)的水分，保證車(chē)燈使用壽命。該裝置結(jié)構(gòu)明顯提高LED汽車(chē)燈具的防霧能力，促進(jìn)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展。

LED 汽車(chē)燈具；傳感器；加熱片；納米涂層；雙重防霧設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化和智能制造的快速發(fā)展，不管是城市還是農(nóng)村，交通設(shè)施得到了前所未有的飛躍，也進(jìn)一步帶動(dòng)了汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展［1］，尤其是在汽車(chē)燈具照明技術(shù)方面。LED作為第4代照明產(chǎn)品憑借節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)逐漸應(yīng)用于汽車(chē)照明領(lǐng)域，如奧迪R8和雷克薩斯LS600h車(chē)型前照燈。然而在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)燈具起霧嚴(yán)重影響著LED汽車(chē)燈具的安全，由于水汽的存在，一方面導(dǎo)致燈具環(huán)境潮濕從而影響燈具內(nèi)元器件的使用壽命；另一方面，當(dāng)燈具環(huán)境溫度降低，燈具內(nèi)的水汽會(huì)形成一層霧氣，嚴(yán)重影響車(chē)燈的照明。因此，如何開(kāi)展LED燈具的防霧裝置設(shè)計(jì)研究，成為學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 燈具起霧研究現(xiàn)狀

燈具的起霧涉及到熱流動(dòng)、傳導(dǎo)、材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面的知識(shí)，是一個(gè)多學(xué)科的交叉問(wèn)題［2］。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者主要從試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真的角度開(kāi)展相關(guān)的研究工作。在試驗(yàn)方面，采用高低溫長(zhǎng)時(shí)間的淋雨試驗(yàn)或存儲(chǔ)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證前照燈的各項(xiàng)性能，觀察是否存在結(jié)露現(xiàn)象，提出改進(jìn)措施［3-4］。在數(shù)值模擬方面，主要是分析燈具產(chǎn)品的內(nèi)部溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)、水汽濃度場(chǎng)等，通過(guò)車(chē)燈結(jié)構(gòu)死角區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)［5-10］。研究分析認(rèn)為燈具內(nèi)出現(xiàn)霧氣的原因是燈具內(nèi)的水汽含量低于樣品工作過(guò)程中飽和溫度面罩表面形成的膜狀和水珠狀凝結(jié)，也就是說(shuō)這是一定條件下水蒸氣在燈罩表面氣液轉(zhuǎn)換的結(jié)果。其中，燈具內(nèi)的水蒸氣主要是燈具內(nèi)存在的積水和與環(huán)境換氣過(guò)程帶來(lái)水分蒸發(fā)的結(jié)果。

2 LED汽車(chē)燈具起霧分析

1）燈具環(huán)境溫度的變化 當(dāng)車(chē)燈點(diǎn)亮、熄滅或者轉(zhuǎn)向燈閃爍時(shí)，燈具經(jīng)歷著溫度不斷上升和下降的狀態(tài)，而汽車(chē)燈具內(nèi)的溫度分布遵循著輻射換熱和自然對(duì)流換熱相結(jié)合的方式，但由于燈具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局限性，一定程度對(duì)這2種方式的熱傳遞產(chǎn)生了阻擋作用，不能實(shí)現(xiàn)溫度的均勻分布，燈具內(nèi)部溫度的不均勻是導(dǎo)致燈具起霧的主要因素。圖1為奇瑞A5前照車(chē)燈結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖，圖2為燈具沿X方向溫度模擬仿真的分布結(jié)果。從圖2可以看出其溫度分布特點(diǎn)：兩端溫度較低，中間部位溫度較高，而且整體分布不均勻。

圖1 奇瑞A5前照車(chē)燈結(jié)構(gòu)

圖2 車(chē)燈沿X方向模擬溫度分布

2）水蒸氣對(duì)流場(chǎng)的形成 在一定條件下，水蒸氣在燈罩表面氣液轉(zhuǎn)換形成起霧現(xiàn)象，其中，燈具內(nèi)的水蒸氣主要是燈具內(nèi)存在的積水與環(huán)境換氣過(guò)程中水分蒸發(fā)的結(jié)果，燈具內(nèi)的水蒸氣是不可避免的。而當(dāng)燈具內(nèi)的水蒸氣處在溫度不斷變化并且分布不均勻的燈具環(huán)境時(shí)，這就使得水蒸氣在燈具內(nèi)部出現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象。水蒸氣的流動(dòng)一方面加劇了與外部環(huán)境的換氣速率，另一方面也將熱量傳遞到燈具內(nèi)的各個(gè)腔體處。雖然燈具內(nèi)部與外部環(huán)境的換氣過(guò)程可以將燈內(nèi)的一部分水蒸氣排出，但效果并不明顯，燈具內(nèi)部各個(gè)部位仍然存在著大量水蒸氣，特別是在溫度較低的區(qū)域，水汽現(xiàn)象更為嚴(yán)重。從圖1也可以看出，霧氣的產(chǎn)生主要在車(chē)燈溫度較低、角度相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)角落。圖3為車(chē)燈點(diǎn)亮?xí)r燈內(nèi)水蒸氣的流動(dòng)示意圖，當(dāng)車(chē)燈點(diǎn)亮?xí)r，車(chē)燈部位溫度最高并向周?chē)鷤鳠?，同時(shí)加熱水汽并使其向左下角和右上角方向流動(dòng)。

圖3 車(chē)燈點(diǎn)亮?xí)r燈內(nèi)水蒸氣流動(dòng)示意圖

3）存在霧氣凝結(jié)核 凝結(jié)核是導(dǎo)致霧氣凝結(jié)必不可少的因素，在燈具內(nèi)部零件的表面，特別是面積較大的面罩內(nèi)表面，存在著微細(xì)凹凸不平的凝結(jié)核。

3 LED汽車(chē)燈具防霧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化 本裝置首先對(duì)燈具整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)內(nèi)部修飾框結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以減少死區(qū)角度和遮擋效應(yīng)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 車(chē)燈整體設(shè)計(jì)示意圖

2）設(shè)計(jì)加熱片加熱水汽并及時(shí)排出水蒸氣 為防止燈內(nèi)積水過(guò)多，在燈內(nèi)安裝加熱片，將水汽加熱使其氣化并將其排出。首先，根據(jù)圖1的霧氣分布情況，在車(chē)燈內(nèi)左側(cè)霧氣分布較多的位置安裝濕度傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燈內(nèi)水汽含量，并設(shè)置一閾值（具體閾值根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)設(shè)定）。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到的濕度數(shù)據(jù)大于閾值時(shí)，便啟動(dòng)加熱片加熱。同時(shí)在燈內(nèi)安裝加熱片，位置對(duì)應(yīng)車(chē)燈點(diǎn)亮?xí)r溫度較高的部位（具體準(zhǔn)確位置根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)決定），使車(chē)燈在熄火狀態(tài)下，啟動(dòng)加熱片加熱也能使水蒸氣產(chǎn)生像圖3所示的流動(dòng)情況。然后根據(jù)圖3車(chē)燈點(diǎn)亮?xí)r燈內(nèi)水蒸氣的流動(dòng)情況，在燈內(nèi)設(shè)置2個(gè)通氣孔，位置對(duì)應(yīng)加熱器啟動(dòng)加熱時(shí)水蒸氣流向的部位（具體準(zhǔn)確位置根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)決定），讓流動(dòng)的水蒸氣從2個(gè)通氣孔中流出燈外。

3）涂覆納米涂層使霧氣液化并排出液態(tài)水 由于燈具結(jié)構(gòu)的局限性，使得受熱流動(dòng)的水蒸氣并不能全部從通氣孔流出，停止加熱時(shí)雖然水汽含量大大減少，但仍有一部分水汽滯留在燈內(nèi)。為了防止隨著車(chē)燈溫度的降低引起水蒸氣遇冷在車(chē)內(nèi)結(jié)構(gòu)體表面形成水珠的隱患，在車(chē)燈內(nèi)的結(jié)構(gòu)表面涂覆一層納米疏水層，使水蒸氣遇到疏水層時(shí)能夠均勻地鋪展開(kāi)，當(dāng)水汽含量過(guò)高時(shí)，在疏水層上鋪展均勻的水分會(huì)越來(lái)越多慢慢液化，而液化形成的水滴由于重力因素會(huì)緩慢下流、聚集并最終從所設(shè)的左下角的通氣孔流出燈外。從而，很大程度減少了燈內(nèi)滯留的水分。

4）防霧的動(dòng)態(tài)平衡設(shè)計(jì) 通過(guò)加熱片對(duì)水汽加熱使水汽從通氣孔流出，停止加熱后，設(shè)計(jì)的疏水層讓遺留在燈內(nèi)的水汽液化成液滴然后從底下通氣孔排出，雙重排霧，動(dòng)態(tài)過(guò)程流程圖如圖5所示，最大可能地減少車(chē)燈內(nèi)的水汽。

圖5 動(dòng)態(tài)過(guò)程

4 結(jié)論

不同汽車(chē)的車(chē)燈結(jié)構(gòu)大同小異，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中防霧原理大致相同，其中涉及到的因素有很多，包括車(chē)燈結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)、所處環(huán)境等。通過(guò)剖析起霧原因，本文提出基于濕度傳感器、加熱片和納米涂層的雙重防霧設(shè)計(jì)裝置，盡可能地減少燈內(nèi)的水分，保證車(chē)燈使用壽命。

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Design and Application of Vehicle LED Lamp Anti-fog Device

LIANG Hai-zhi， LIU Dong-jing， LU Han， QIN You-ying
（Electric Mechanical Engineering School， Guilin University of Electric Technology， Guilin 541004， China）

With advantages of energy conservation and environmental protection， LED is considered as the fourth generation of lighting products and gradually applied in the field of automotive lighting. However， the fog on LED lamps becomes a common issue， which affects the light and the service life of lamps. This is a serious threat to travel security.Therefore， the apparatus is put forward in this paper， which includes the humidity sensor， heating plate and nano coating device. This design can reduce moisture inside the lamp as much as possible to ensure lamps service life. The apparatus can prevent mist going into LED lamps and lanterns， which contributes to the development of automobile industry in our country.

LED car lights； sensor； heater； nano-coating； double anti-fog design

U463.65

A

1003-8639（2017）12-0048-02

2017-05-23；

2017-06-19

2016年廣西高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201610595093）

劉東靜（1986-），女，河南周口人，講師，博士，從事汽車(chē)電子可靠性研究工作。

（編輯 楊 景）