燈具內外壓差及呼吸器的研究

洪曉松

燈具內外壓差及呼吸器的研究

洪曉松

廣東省科技計劃項目（項目編號：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

本文通過理想氣體狀態方程分析了燈具內外壓差的情況。當燈體內部溫度上升到70 ℃時，燈體要承受1.5 m水柱當量的壓力。另外，利用72 W中型投光燈為實例分析了燈具對呼吸器排氣速度的需求。要使燈體內氣壓與外部平衡，排氣速度需求是隨時間減少的，最高時近100 mL/min。從實驗結果和MatLab擬合對比發現，安裝呼吸器后，燈具內外氣壓差會有一個峰值，而壓差峰值的大小會因為呼吸器的選擇而不同。本研究為戶外燈具的呼吸器的選型提供了新思路。

概述

城市燈光環境離不開光源的開發和燈具設計形式及技術的發展，光源與燈具設計除其光亮、色彩給城市帶來的美感之外，燈具本身的形象和特色也為美化城市增添優雅的筆觸。從公共場所到住宅庭園設計，從商業環境到會展展示設計，戶外照明設計已成為21世紀各類環境設計中舉足輕重的關鍵要素。

在戶外，時刻面臨著各種惡劣的環境，日曬雨淋、沙塵飛揚，這些都是影響燈具正常工作的不利因素。對于戶外燈具而言，防水防塵十分重要。如果氣密性不好，會造成水汽、粉塵的侵入，引起燈具內部結霧、積水凝霜、破壞透光效果等一系列問題，嚴重影響燈具照明、壽命和外觀。固態防護措施可以防止水和灰塵的進入，保證燈具內部工作的穩定性，從而提高燈具內部各部件的壽命。因此，戶外燈具設計要求具有很好的氣密性。

然而，燈具內部與外部隔絕，并且保證了一定的氣密性，在燈具工作過程中，產生的熱量使燈具內的氣體受熱膨脹，必將使燈具內外的氣壓不平衡，因而產生了內外壓力差。當溫度不斷上升時，燈具內部的氣壓也相應增大，燈具會因內部壓力過大而發生開裂，甚至炸裂。因此，如何合理的處理燈具的內外壓力差是燈具設計的重要環節。

實驗

燈具內外壓力差產生原理

燈具內部可以看作一個大小固定的腔體，根據氣體狀態方程：

（其中P為壓強單位pa，V為腔體體積單位m3，n為氣體物質的量，T為熱力學溫度，R為理想氣體常數）

假設燈具密封，環境攝氏溫度T0，當燈具未通電時，腔體內溫度及壓強與外部一致。則有：

當燈具通電工作后，腔體內溫度上升到T1，對于密封腔體，V與n不隨溫度改變，則此時的氣壓為：

此時，燈具內外氣壓差為：

（其中P0=105pa，R=8.314（pa*m3）/（mol*K））

假設環境溫度t0=25℃，則：

也就是，當燈體內部溫度上升到70℃，有：

意味著燈體要承受1.5m水柱當量的壓力。

燈具對呼吸器排氣速度的需求

下面以一個燈具為例，對燈體溫度及氣壓變化與呼吸器排氣量關系進行探究。所選燈具為72W中型投光燈，防塵防水級別為IP66，主要用于戶外照明。經計算，燈具內部腔體體積V0約2712mL。利用溫度探頭對燈體內外的溫度進行了檢測，收集了燈具正常工作（開關打開為始）203min的溫度數據。

通過式子（6）可以算出當燈具密封時每一時刻的內外壓強差（假設環境氣壓為1個標準大氣壓）

可見，當溫度平穩后，密封的燈具受到0.091 bar的向外壓力，即91 cm水柱當量的壓力。如果壓力不及時釋放，必會對燈具結構造成損害。

由于壓強差與時間成正比，因此當溫度上升速度越快，壓強差增加越快。燈具內部壓強的增加，是由于內部氣體受熱后擴張，擴張的速度也就與溫度上升的速度成正比，此時能否有效抑制燈體內部氣壓就與呼吸器排氣速度有直接關系。

前文我們假設燈具密封，得出壓強差的變化過程。若假設溫度上升時，燈具內部氣體可以順利排出，此時我們便可以得到一個排出氣體總量的變化過程。首先由式（1）有：

因為燈具腔體體積為V0=2712 ml，因此有：

則工作時氣體體積為：

排出氣體總量為：

由式（11）可以得到表2數據，利用matlab擬合，可以得到dV與t的關系式：

可以看到擬合結果較為符合。式（4）對時間t求導，可得每分鐘對應排出的氣體量：

利用式（13）作dV/dt圖。

可見，要使燈體內氣壓與外部平衡，排氣速度需求是隨時間減少的，最高時近100mL/min。

然而，對于依靠呼吸器排氣的燈具，主要因為呼吸器的排氣速度是與氣壓差密切相關的，當壓差越大時排氣速度越大。而根據速度要求最高的時刻是剛開始的時候，而此時壓強差恰好是比較低的，在0.01 bar以內。此時呼吸器的排氣速度由于壓差低而發揮不了最大作用，會造成開始一段時間，燈體內部氣壓依舊是上升的，當到達一定臨界點壓差以及內部空氣溫度上升使呼吸器排氣速度開始大于其他膨脹速度，此時壓差才開始下降。

總結

對于大功率及戶外燈具，由于高溫（低溫）造成燈具內外氣壓差達到一個對燈具結構造成損害的值，溫差45℃時壓差達0.15bar。因此此類延長此類燈具的使用壽命，應該使用呼吸器降低壓差。

然而并非隨意安裝一個呼吸器就可以避免壓差的損害。由前文可見，安裝呼吸器后，燈具內外氣壓差會有一個峰值，而壓差峰值的大小會因為呼吸器的選擇而不同。呼吸器選擇不當或質量不過關，將會因為過大的壓差峰值而對燈具造成影響。因此選擇呼吸器時應該根據呼吸器質量、燈具功率以及工作環境進行合理評估。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.077