环境温度湿度对LED灯具材料尺寸的影响

曾天赐

(朗德万斯照明(深圳)有限公司，广东 深圳 518055)

引言

大多数物体在温度变化下，其尺寸或者说其体积也会随之发生变化，这是我们生活中常常能看到物理现象，这种现象就是热胀冷缩。热胀冷缩是指物体受热时会膨胀，遇冷时会收缩的特性。

固体材料的热膨胀系数不是一个常数，而是随着温度变化而变化，通常随温度升高而增大。这是因为固体材料的热膨胀与原子(粒子)的非简谐振动(非线性振动)有关，温度升高原子的振动幅度加大，原子间距增大，因此产生热膨胀。

压力保持不变时，由于温度的改变，造成固体、液体和气体发生长度或体积变化的现象。膨胀的程度用膨胀系数表示。

线(体)膨胀系数即当温度升高1 K时，物体的长度(体积)的相对增加量。

1 灯具结构与质量缺陷

在灯具的设计及材料应用中，常用到高分子材料做的外壳或光学零件，以及用铁、铝、铜等金属及玻璃做的外壳或其他结构件，最常见的是外壳采用铝合金，在灯具内部放着一个塑料光学片，这种产品的结构方式多应用于各式各样的办公灯具或工业灯具，比如线性灯具和面板灯。

有些灯具设计公司追求外观的美观或是为了提高光学效率，但忽视了材料本身固有的材料特性，这些灯具类型在应用场合或是在存储运输过程中就发生了出乎他们意料的质量缺陷。比如线性灯具，在温度变化过程是出现了光学件间隙变大、材料移位重叠，如图1所示；面板灯的光学件在膨胀过程中将灯珠压坏，或是光学件拱起变形，如图2所示。这些都是设计前期没有考虑周全，到了后期就造成了经济损失和品牌形象受影响。

2 灯具常用材料及尺寸影响因素

在灯具设计过程中大多会优先采用通用的材料，这类材料市场上都容易采购，价格比较低廉，比如金属材料中的冷轧板、镀锌板、铝锭。此外，在高分子材料应用方面，PC、PS、MS、PBT、PP等材料会根据市场的需求推出很多改性材料，比如提升光学性能、提高阻燃等级、增加冲击强度、降低成本、抗UV黄化等。

LED灯具中，材料的使用温度大多在100 ℃以内，尤其是在70℃以内(部分LED灯具和特殊照明的产品会稍高一些，本文主要以通用LED灯具为介绍对象)，如图3所示，在相同的温度下，高分子材料的线性膨胀系数受到温度的影响比金属的大。因此，我们着重研究灯具材料中的高分子材料。

图3 常用灯具材料膨胀曲线

2.1 高分子材料的线膨胀系数影响

本文用德国耐驰DIL 402 PC热膨胀仪对样品分别测试，图4所示是几种常用的光学材料的膨胀曲线图，可以看出有以下几个特点。

图4 常用光学材料的膨胀曲线

1)同种原材料在不同的温度下其线性膨胀系数是不一样的；

2)同种材质但不同牌号的材料其膨胀系数也不一样；

3)同种材质同种牌号但不同厚度的材料其膨胀系数也不一样；

4)同种材质同种牌号同种厚度但不同的表面处理其膨胀系数也不一样(本例中为PC防眩扩散板有棱镜结构处理，PC普通扩散板为亮面处理)。

因为灯具的应用环境的差异性、灯具本身的散热性能的差异化，工程师在设计过程中应接合项目实际情况，考虑这些材料在最高温度下其尺寸膨胀量不会影响到灯具的照明性能。

2.2 高分子材料的吸水特性

PMMA等透明特性的高分子材料，常被用到灯具中的光学系统中，表1是几种常用的高分子材料的吸水率。因为有极性侧甲基的存在，PMMA有较明显的吸水性。

表1 常用光学材料吸水率

以PMMA为例子，PMMA的吸水性随着周围环境湿度的增加而增加，而且随着吸潮的时间增加而增加，并呈现出吸潮前期增加为剧烈增加，随后速度变缓慢；吸水率在干燥时会下降，前期变化较快，后面变缓；在吸水过程中，其尺寸与吸水率呈线性关系增长。

在以往观念中，制品成型的尺寸多是受到成型机的加工工艺影响较大，比如挤出成型机的机头温度、挤出压力、滚轮的速度等，后续加工受制于切割和抛光的精度。但从上述几点，我们看到了这些塑料的尺寸变化还会因为环境温度的变化、线性膨胀系数不同而引起的尺寸变化，并且有些吸潮性明显的材料，其尺寸还受到环境湿度的影响。

3 预设的理论环境温度

受环境温度湿度的影响，不同规格的高分子材料的尺寸会随之发生变化，在第2节中，我们测得不同规格的高分子材料在不同的温度下和湿度下材料的尺寸变化量。在产品设计中有些人会以产品的最高使用温度来验证理论设计值,比如有些厂家定义室内灯具的最高环境温度是40 ℃，户外灯具的最高环境温度是50 ℃，但实际上最恶劣条件下的温度，其变化范围还受到货运存储的影响。

3.1 集装箱海运时的温度变化

文献[10]中研究了从2004年4月到2006年1月这一段时间内从日本到欧洲的荷兰、美国西海岸城市波特兰市、美国内陆城市孟菲斯的三条路线共160个集装箱中的温度湿度变化。

正常的运输包括三个不同的阶段：第一阶段为从集装箱的装箱到集装箱的装船时间，包括公路运输和短时间的仓储；第二阶段是海运的时间；第三阶段是集装箱的卸载、清关、仓储时间。

文献[10]中研究表明：

1)在三条海运线路中，最高温度57 ℃发生在七月份从日本到孟菲斯的路线中，而最低温度-29 ℃发生在一月份的同一条路线中。在这三条路线中，从日本到孟菲斯的路线中的温湿度变化最为显著。但是从这条变动最明显的线路捕获的数据中可以看出，85%的集装箱温度低于48 ℃，而有70%的集装箱温度高于0 ℃。即大多数的海运环境中的温度变化在0～48℃之间，只有最冷和最热的月份的数据会超出这个范围。

2)最高的相对湿度是96%，发生在八月份从日本到波特兰的路线中。

3)海运这一段路程中的温湿度变化比出海之前和到时港之后的要缓和，并且从中看出同一航运中，集装箱在船上的不同位置，其温度变化是不同的。同一集装箱，摆放在集装箱不同位置，其温度变化也是不一样的。

4)一般情况下集装箱中的温度下降会导致湿度的上升，但到了一定的点之后，湿度会稳定下来，但是如果温度继续下降的话，湿度也会下降。

3.2 集装箱外观颜色的温度影响

集装箱的温度主要由箱体内外的热交换决定，而且较大的集装箱表面积有较良好的传热性能。除了太阳辐射，外部空气温度、风和降水也对温度有影响。在太阳辐射下，当环境温度约为25 ℃，涂成棕色的集装箱内部的空气温度上升到50 ℃，而涂有白色油漆的集装箱的影响没有那么大，大概在38 ℃左右。

3.3 集装箱露天堆放的温度影响

文献[12]中研究了福建省福州市7月份露天堆放的集装箱内部温度，可以看到位于集装箱最上层的中间位置，其最高温度为71.9 ℃, 其次是温度是60.8 ℃。

3.4 理论温度设定

从上我们可以得知产品如果走海运，其最高温度可以达到60 ℃，最低温度可以达到-30 ℃；如果再考虑到集装箱的码头存储，最高温度将会有达到70 ℃。如果按灯具标称的最高使用环境温度(室内灯具40 ℃，户外灯具50 ℃)来验证是不够的。

3.5 理论数据验证

因此，我们在设计过程中应综合考虑，把明显影响到产品零部件尺寸的因素叠加进来验证，其涉及的因素主要有零部件的加工公差、材料的线性膨胀量、易吸水材料的吸水膨胀量。我们可以用公差分析法和有限元分析法加以验证。

G为间隙；A、B分别长度基本尺寸；a、b、c、d分别为尺寸上下公差

间隙G与外壳和光学件的尺寸链如图5所示，其尺寸链表示式可以用式(1)～式(4)来描述。

高温环境下：

GHmax=(A+a+ΔLa)-(B+(-d)+ΔLb+[Δh])

(1)

GHmin=(A+(-b)+ΔLa)-(B+c+ΔLb+[Δh])

(2)

低温环境下：

GLmax=(A+a-ΔLa)-(B+(-d)-ΔLb+[Δh])

(3)

GLmin=(A+(-b)-ΔLa)-(B+c-ΔLb+[Δh])

(4)

其中GH、GL为高低温下的尺寸差；A、B为零件的基本尺寸；a、b、c、d为尺寸上下公差；ΔLa、ΔLb为线膨胀量；Δh为吸水膨胀量。

2)材料热膨胀量表达方程。灯具中所用到的这些高分子材料、金属材料，往往根据会实际需求在原材料的基础上加上各种填充剂，以实现不同的用途，例如塑料常用到无机填充剂(如碳酸钙、陶土、滑石、硅藻土、二氧化硅、云母粉、石棉、金属、金属氧化物等)和有机填充剂(如热固性树脂中空球、木粉、粉末纤维素等)。不同的原材料，填加不同的填充剂，再加上填充的剂量不同、生产工艺的不同，造成终端的产品特性不同，其热膨胀系数也会有所差别。因此，材料在使用之前要先测试其物理特性。

表2 灯具材料热膨胀量dL/Lo

从表2得出尺寸变化量dL/Lo的回归方程如下：

dL/LoMS-1#=0.3777+0.08049ΔT-0.000267

ΔT2+0.000006ΔT3

(5)

dL/LoMS-2#=0.4283+0.08533ΔT-0.000038

ΔT2+0.000001ΔT3

(6)

dL/LoPC-L=0.4518+0.08398ΔT-0.000154

ΔT2+0.000001ΔT3

(7)

dL/LoPC-P=0.3958+0.08478ΔT-0.000355

ΔT2+0.000001ΔT3

(8)

dL/LoPmma=0.3970+0.06948ΔT-0.000855

ΔT2+0.000004ΔT3

(9)

dL/LoPP=0.5980+0.1199ΔT-0.001455ΔT2+0.000014ΔT3

(10)

dL/LoPS-1#=0.4191+0.08640ΔT-0.000092

ΔT2+0.000001ΔT3

(11)

dL/LoPS-2#=0.3509+0.07671ΔT-0.000317

ΔT2+0.000003ΔT3

(12)

dL/LoAl=0.1271+0.02254ΔT-0.000106

ΔT2+0.000003ΔT3

(13)

3)PMMA吸水膨胀率。PMMA的吸水膨胀率如表3所示。

表3 PMMA吸水膨胀率

从表3可以得到PMMA的吸水膨胀率的回归方程如下：

δ=0.01729+0.000135Rh+0.000033Rh2

(14)

δ为尺寸膨胀率，Rh为湿度。

4 分析

4.1 公差分析法

首先定义产品装配的环境温度，LED组装车间一般都是恒温恒湿的无尘车间，温度一般设定在25 ℃；而零部件加工车间的环境大多比较恶劣，很多是开放式的车间，其环境温度跟当天的气温一起波动，因此需要厂家对车间的环境进行控制，当环温波动比较大时还需对切割尺寸进行修正补偿，特别是长度比较大的光学件。然后分别分析高温下和低温的装配间隙，最高温度需要考虑货物的出货方式及可能遇到的最高仓储温度，要求理论推算的最大间隙不会因为间隙过大而导致零部件的脱落，外观要求高的区域应不致其产生不良外观缺陷；并且要求在最小间隙下灯具可以正常工作，不会产生明显的外观缺陷或其他的安全隐患。

以1 200 mm的线性灯结构为例，铝壳内侧长度为1995±0.5 mm,PMMA光学件为1995±1 mm,验证其尺寸合理性。

文献[10]中，海运过程中温度在30℃左右时，湿度为70%左右，在表3中查得PMMA的吸水膨胀率δ为0.175%，得知吸水尺寸膨胀量Δh为3.75 mm。

从第3节得知集装箱的温度为70℃左右，温差ΔT=45℃,代入式(9)、式(13)，得知

dL/Lo(PMMA)=4.89%，则ΔL(PMMA)=5.84 mm

dL/Lo(6063)=1.2%，则ΔL(6063)=1.44 mm

-30℃左右，温差ΔT=55℃，则ΔL(PMMA)=7.33 mm，ΔL(6063)=1.85 mm。

在70 ℃材料干燥缓慢排出水分和-30 ℃下Δh可忽略不计，代入式(1)～式(4)，得到结果如下：

高温环境下，

GHmax=(A+a+ΔLa)-(B+(-d)+ΔLb+[Δh])=-2.9 mm

GHmin=(A+(-b)+ΔLa)-(B+c+ΔLb+[Δh])=-5.9 mm

低温环境下，

GLmax=(A+a-ΔLa)-(B+(-d)-ΔLb+[Δh])=-6.98 mm

GLmin=(A+(-b)-ΔLa)-(B+c-ΔLb+[Δh])=-3.98 mm

将吸水尺寸膨胀量Δh对比高温和低温下的4个极限公差，分别得知GHmin和GLmax的比值更大，因此产品需保证在高温下需要吸收5.9 mm的膨胀量，在低温下需保障6.98 mm的间隙不会有安全隐患。

4.2 有限元分析

利用计算机CAE软件(Computer Aided Engineering)，比如ANSYS、ABAQUS等，给材料赋予材质特性，可以有效、方便地对产品模型进行分析，模拟出尺寸干涉、受力情况等，并可以实时优化改良。材料需要事先测试，再将其物理参数代入计算，有限元分析如图6所示。

图6 计算机有限元分析

5 结论

灯具在装配过程中或终端安装场合下，其环境温度大多跟理论设计值比较接近，容易被设计者关注到，但产品在运输过程和仓储过程中，其环境温度波动比较大，不确定因素也比较多，尤其是在露天码头长时间堆放时的情况下，具有一定概率的潜在性的损坏影响。因此设计时有必要考虑到最恶劣的环境温度，在设计过程中加入防范的容错设计措施。另外，需要对零部件加工时的环境温度、零部件装配时的环境温度、灯具应用的环境温度进行温度差异对比，零件的理论设计尺寸和零件检测尺寸应定义出环境温度。此外，还应考虑到集装箱运输、存储过程的环境温度，当其超出理论设计值时，应有防错机制，以保障LED灯具产品的正常使用。