防水透氣閥在LED路燈設計中的應用

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構，這種結構對內(nèi)部的LED燈芯起到了防水防塵的保護作用。這種密封腔體結構盡管解決了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”。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”已經(jīng)成為LED路燈設計中必須要考慮的問題。

1 LED路燈密封腔體工作環(huán)境

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”。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；

2 呼吸效應原理分析

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”。“呼吸效應”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，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。

3 消除“呼吸效應”的措施

（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”采用密封結構與密封腔體連接。

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”，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

4 呼吸器的選用

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，以保證呼吸器與應用產(chǎn)品的緊密結合，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)

5 結語

本文對LED室外路燈密封腔體的設計問題進行了探討，介紹了呼吸效應的原理，介紹了兩種消除呼吸效應的措施；最后通過對LED室外路燈密封腔體設計的研究，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”產(chǎn)生裂縫和產(chǎn)生冷凝水的問題。

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