户外LED灯具压力平衡呼吸器的原理及应用

洪晓松

户外LED灯具压力平衡呼吸器的原理及应用

洪晓松

广东省科技计划项目（项目编号：2009A080301007）

洪晓松 张成良 姜元方 胡寻案

惠州雷士光电科技有限公司

随着城市化的不断发展，节能减排是不可逆的趋势。传统的户外灯具已被绿色环保、高效、长寿命的LED灯具逐渐淘汰。本文根据户外LED灯具的工作环境以及结构特性，从理想气体状态方程出发，分析灯具呼吸效应产生的原因及其危害。同时介绍了压力平衡呼吸器（透气阀）的结构特点及工作原理，为户外灯具设计提供了参考。

概述

随着时代的发展和社会经济的进步，我国城市化水平越来越高，在城市化飞速发展的今天，户外照明工程也得到了大力发展。其中，LED灯具作为户外照明工程的主要组成部分，在能源资源日趋紧张的情况下，需要朝着高效、节能、环保和健康的方向发展。

目前，环境问题日益严重，能源资源越来越紧张，在这种情况下，我国开始大力推广节能减排项目。在城市照明中，以户外照明为主，传统的户外照明如路灯是光效很低的高压钠灯，造成了严重的能源浪费，与节能减排的大环境相违背。绿色环保、节能高效、高显色性、长寿命等诸多优点集一身的LED户外灯具可以很好地取代传统户外照明灯具，这也是未来户外照明的发展趋势。

呼吸效应对灯具的影响

随着LED照明的普及，越来越多应用在道路照明、景观照明等场合的LED灯具。由于户外等工作环境甚为严酷，要求灯具能在高温、严寒、雨水等状态中正常工作，因此户外灯具的结构达到IP65的防尘防水等级，为一个密闭的腔体结构。除了工作环境温度、湿度等的变化影响，户外LED灯具工作时也会因电能对光能的转换效率问题而产生较高的温度。从理想气体状态方程

PV=nRT

（P为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，T为气体热力学温度）

可见，当灯具温度升高，内部压强将会增加，与大气形成压力差，如果灯具存在一定的缝隙，腔体内的气体就会泄出，当灯具温度下降，内部气压降低，外面的空气甚至水气将渗入，这便是腔体呼吸效应的过程。即使新的灯具气密性良好，在长期工作中发生老化导致气体（水气）渗透，长期的正负压力差交替将会导致结构件衔接的缝隙变大，最终导致密闭性变差，产生呼吸效应。

呼吸效应带来最严重的问题是，水气的渗入。一旦灯具内部湿度增加，不仅导致透镜上水珠凝结影响效果的现象，还会导致透镜、光源等器件被腐蚀、加速老化，甚至导致电器短路等引起各种安全问题。另外即使气压差不足以导致呼吸效应，密闭的腔体高温时产生的高压，对光源和透镜会有所损害。因此，保证户外LED的使用寿命，维持灯具内外气压平衡十分必要。

压力平衡呼吸器（透气阀）的结构及原理

通过对呼吸效应的理解及高分子材料的发展和应用，针对上述的问题，户外LED灯具的设计可以通过加装压力平衡呼吸器，即透气阀来解决。

呼吸器的基本结构

顾及户外灯具IP要求，呼吸器的防水防尘等级也要达到IP65或以上。呼吸器通常为螺纹式注塑件（图1），考虑到高温及耐久性也有金属材质的呼吸器。

图1 呼吸器实物图

呼吸器主要由安装件、硅胶（橡胶）密封圈、膨体聚四氟乙烯（ePTFE）透气膜和顶盖组成（图2）。

图2 呼吸器剖面结构图

膨体聚四氟乙烯的特性

呼吸器中最为关键的部件就是ePTFE薄膜。ePTFE是由PTFE（聚四氟乙烯）通过特殊的成型加工工艺制作的材料。ePTFE具有纤维化的内部结构，这些微细的纤维经节点的连接构成网状结构，微细的纤维间形成无数的细孔。由于材料和结构的特性，ePTFE具有极佳的柔韧性、模塑性以及极好的填充性、自润滑性、低摩擦系数等优点，其中对呼吸器最为重要的特点是其极差的亲水性和吸附性，以及透气性和极好的耐腐蚀性。ePTFE密集的气孔可以允许空气通过，但对于微粒和水气有良好的阻隔能力，加上耐腐蚀长寿命的特点让它成为了制作户外LED灯具呼吸器的极佳材料。

密封性能卓越

膨体聚四氟乙烯密封带具有高度的可压缩性，极其容易填满密封面上存在的空洞和沟槽，很好地堵塞界面的泄漏，并且在受到张力作用时，有回弹膨胀的特性。因此，内部介质压力越高，密封作用力越大，这是聚四氟乙烯密封带最神奇之特性。

使用方便快捷

剪取一段一定长度的密封带，只要两端交叉相迭，即可以构成一个任意尺寸、任意形状的密封圈，附在密封带上的粘胶带能使密封带固定在工作位置上以方便安装，形成很好的包围密封。

经久耐用

聚四氟乙烯具有非常优越的耐腐蚀性、不老化性，经过特殊加工后的密封带，被赋予了很好的耐蠕变性，并且具备在很宽的温度范围内能长期安全使用的性能。

清洁干净

聚四氟膨体密封带为白色纯聚四氟乙烯制品，因其不会被腐蚀、不会老化，因此不会因脱落而污染所接触的流体。

呼吸器的应用

呼吸器安装于LED灯体上，使内部空气与大气通过ePTFE薄膜交换气体。当灯体内温度发生变化，气体膨胀或压缩时，与外部大气形成压力差，空气将通过ePTFE流动，使灯体内部气压与大气压保持平衡，同时隔绝水气的进入，合理利用呼吸效应解决了气压差带来的影响，保证灯具的正常工作，延长了灯具的使用寿命。

总结

LED作为第四代固态光源取代传统光源已经是大势所趋，节能减排的一系列政策的出台更是加快了城市户外照明的更新换代。使用寿命长是LED灯具的优势之一，面对恶劣的户外环境，压力平衡呼吸器是十分重要的保护器件。本文通过对呼吸效应到呼吸器材料的讨论，论证了呼吸器对户外LED灯具的保护作用，有效解决了灯具裂缝产生及水气渗入的问题。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.053