戶外LED燈具壓力平衡呼吸器的原理及應用

洪曉松

戶外LED燈具壓力平衡呼吸器的原理及應用

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

隨著城市化的不斷發展，節能減排是不可逆的趨勢。傳統的戶外燈具已被綠色環保、高效、長壽命的LED燈具逐漸淘汰。本文根據戶外LED燈具的工作環境以及結構特性，從理想氣體狀態方程出發，分析燈具呼吸效應產生的原因及其危害。同時介紹了壓力平衡呼吸器（透氣閥）的結構特點及工作原理，為戶外燈具設計提供了參考。

概述

隨著時代的發展和社會經濟的進步，我國城市化水平越來越高，在城市化飛速發展的今天，戶外照明工程也得到了大力發展。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、節能、環保和健康的方向發展。

目前，環境問題日益嚴重，能源資源越來越緊張，在這種情況下，我國開始大力推廣節能減排項目。在城市照明中，以戶外照明為主，傳統的戶外照明如路燈是光效很低的高壓鈉燈，造成了嚴重的能源浪費，與節能減排的大環境相違背。綠色環保、節能高效、高顯色性、長壽命等諸多優點集一身的LED戶外燈具可以很好地取代傳統戶外照明燈具，這也是未來戶外照明的發展趨勢。

呼吸效應對燈具的影響

隨著LED照明的普及，越來越多應用在道路照明、景觀照明等場合的LED燈具。由于戶外等工作環境甚為嚴酷，要求燈具能在高溫、嚴寒、雨水等狀態中正常工作，因此戶外燈具的結構達到IP65的防塵防水等級，為一個密閉的腔體結構。除了工作環境溫度、濕度等的變化影響，戶外LED燈具工作時也會因電能對光能的轉換效率問題而產生較高的溫度。從理想氣體狀態方程

PV=nRT

（P為氣體壓強，V為氣體體積，n為氣體物質的量，T為氣體熱力學溫度）

可見，當燈具溫度升高，內部壓強將會增加，與大氣形成壓力差，如果燈具存在一定的縫隙，腔體內的氣體就會泄出，當燈具溫度下降，內部氣壓降低，外面的空氣甚至水氣將滲入，這便是腔體呼吸效應的過程。即使新的燈具氣密性良好，在長期工作中發生老化導致氣體（水氣）滲透，長期的正負壓力差交替將會導致結構件銜接的縫隙變大，最終導致密閉性變差，產生呼吸效應。

呼吸效應帶來最嚴重的問題是，水氣的滲入。一旦燈具內部濕度增加，不僅導致透鏡上水珠凝結影響效果的現象，還會導致透鏡、光源等器件被腐蝕、加速老化，甚至導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致呼吸效應，密閉的腔體高溫時產生的高壓，對光源和透鏡會有所損害。因此，保證戶外LED的使用壽命，維持燈具內外氣壓平衡十分必要。

壓力平衡呼吸器（透氣閥）的結構及原理

通過對呼吸效應的理解及高分子材料的發展和應用，針對上述的問題，戶外LED燈具的設計可以通過加裝壓力平衡呼吸器，即透氣閥來解決。

呼吸器的基本結構

顧及戶外燈具IP要求，呼吸器的防水防塵等級也要達到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的呼吸器。

圖1 呼吸器實物圖

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 呼吸器剖面結構圖

膨體聚四氟乙烯的特性

呼吸器中最為關鍵的部件就是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具有纖維化的內部結構，這些微細的纖維經節點的連接構成網狀結構，微細的纖維間形成無數的細孔。由于材料和結構的特性，ePTFE具有極佳的柔韌性、模塑性以及極好的填充性、自潤滑性、低摩擦系數等優點，其中對呼吸器最為重要的特點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，但對于微粒和水氣有良好的阻隔能力，加上耐腐蝕長壽命的特點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，有回彈膨脹的特性。因此，內部介質壓力越高，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

剪取一段一定長度的密封帶，只要兩端交叉相迭，即可以構成一個任意尺寸、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。

經久耐用

聚四氟乙烯具有非常優越的耐腐蝕性、不老化性，經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能長期安全使用的性能。

清潔干凈

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

呼吸器的應用

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

總結

LED作為第四代固態光源取代傳統光源已經是大勢所趨，節能減排的一系列政策的出臺更是加快了城市戶外照明的更新換代。使用壽命長是LED燈具的優勢之一，面對惡劣的戶外環境，壓力平衡呼吸器是十分重要的保護器件。本文通過對呼吸效應到呼吸器材料的討論，論證了呼吸器對戶外LED燈具的保護作用，有效解決了燈具裂縫產生及水氣滲入的問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.053