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浅析LED微孔排气孔的材料选择、防护等级及设计考虑因素
在本文中,Jason Chen,Maciej Slotwimdki和Gerry Dibattista通过材料选择和应用步骤,为设计人员和使用者提供指导,让LED可以在潮湿的情况下实现强大的固态照明

LED本身是坚固可靠的光源,对于存在水分和其他危害的应用来说,是固态照明(SSL)中一个很具有吸引力的选择,其耐用性也增加了能效优势。理想情况下,将可能会暴露在潮湿、多尘或脏污环境中的LED产品进行密封,以免损坏内部电子元件。但是,密封产品可能导致外壳或密封失效,原因是LED及其驱动器产生热量引起内部压力逐渐积聚。增加一个疏水性微孔排气孔,通过将灰尘和液体从外壳中排出,并减轻外壳中的压力或负压来保护产品。这是一种简单且经济高效的方式。

可能需要排气孔的固态照明应用范围从户外到室内。在户外,必须经受住自然因素;在室内,工作环境会带来风险。例如,图1展示了一盏LED路灯,它会遭受到大雨和其他天气,可能会导致水分进入。而在室内,比如在食品服务等应用中,固态照明就需要排气孔,因为在这些地方会使用压力清洗。此外,任何必须承受温度循环的应用都可能需要带排气孔的灯具。

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图1. 室外LED灯具应采用排气孔,防止透镜起雾,防止水分损坏里面的电子设备。

排气孔可以保持水分流出,避免冷凝,能够平衡压力。具有讽刺意味的是,有排气孔的灯具在恶劣的环境中可以证明比完全密封外壳的设计更可靠。

多孔材料

我们先讨论LED灯具设计中排气孔的一些材料选择。聚四氟乙烯(PTFE)由于其天然的疏水性,耐化学性、耐热和紫外(UV)稳定性而通常用于这种保护排气孔。 PTFE保护排气孔可由烧结多孔膜或所谓的延展PTFE或膨胀PTFE(ePTFE)(图2)构成。烧结的替代物通常更优,烧结材料可抵抗机械疲劳,通常更强,并且可以满足UL的可燃性要求。

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图2. 左侧显示的是烧结多孔膜,右侧显示的是延展或膨胀PTFE。延展PTFE比烧结膜的机械强度更低,形状和孔径选择更少。

聚乙烯(PE)塞或盘是保护排气孔的一种低成本选项。但是,PE盘的工作温度限制较低,并且通常防水抗尘要弱于PTFE。PTFE和PE排气孔都可以制成片材,可定制的尺寸或三维形状。

LED照明

现在,我们再来讨论一个潜在的应用,深入了解为什么可靠的灯具操作需要排气孔。非排气孔设计可能会遭受灾难性甚至暂时的故障。例如,室外LED灯具就是其中一个应用。比如,由于水分侵入或凝结,照明外壳内的温度变化可能导致故障。进入灯具的水分会引起透镜雾化,会影响光输出,并且至少会出现暂时的功能失效。正负压力可能会损害外壳周围的密封或接头,即使是最佳的基于垫圈的设计也不能保证在使用中由于温度、湿度和机械冲击下不出现波动。

灯具的温度变化可能是运行中循环的自然结果,也可能是由于外部环境。根据各种条件,这些温度变化可能高达85°C。 即使假设温度升高只有15°C,密封的外壳也会与外部的大气有约56 mbar(0.8 psi)的压力差。由于此压力超过35-40 mbar,因此保护LED电子元件的密封和垫片材料可能会泄漏,潮湿或灰尘就会侵入。

IP选择

开发新产品的灯具开发人员应该将排气孔作为首个设计步骤之一。产品团队应选择一种排气材料和实施方式,以满足应用的气流、流体侵入阻力和机械要求。烧结多孔排气孔,比如粘合盘、塞或螺旋孔排气孔,可以允许空气流动,同时连续地保护灯免受雨水和其它液体的影响 尽管透气孔可以释放空气压力并且使灯具内的水冷凝最小化,但排气孔把液体水保持在壳外的能力也是相当重要的。

典型的膜性能和等级

排气孔规格由应用和根据IEC标准60529要求的入口防护(IP)决定的。IP等级是指产品对潮湿和灰尘进入的鲁棒性。 任何外壳或灯具应具有IP等级,根据应用需求对设计进行分类。 图3.总结了IP代码。

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图3. 防护等级图显示了保护范围。

随着IP数量增加到IP66,环境挑战变得更加困难。一般来说,如果产品符合特定的IP等级,比如IP65,则它在较低的等级下会抵抗污染物和液体的侵入。对于与液体相关的IP等级,IPx7和IPx8表示水下等级,它们可能不会比IPx5或IPx6更难通过,而IPx5或IPx6等级必须抵抗直接高压喷水。

为了将应用程序和材料相匹配,在图3中总结了可能用于多孔排气孔的不同材料类型、典型IP等级。选择具有适当防水性能的多孔膜材料可以确保液体和污染物不会进入并损害内部电子元件。如果光源需要喷水清洁灯泡,则建议使用IP66级通气孔,在图表底部用红色椭圆突出显示。不然的话,IP64通气孔可以充分工作,在图表中就用红圈标出了这样一个IP64选项。

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排气孔与灯具的接合和组装

一旦选择了排气孔材料,就必须考虑如何将该材料应用于灯具上。根据所选择的材料和灯具的机械设计,有许多选择。

装配时,通常要考虑散热问题。PTFE的熔点高达326.8°C。因此,需要将另一种塑料加热并熔化成多孔PTFE结构,实现PTFE排气孔的粘结。PTFE粘结的材料应具有良好的流动性能和低于260℃的熔融温度。适用于与PTFE焊接的大多数热塑性材料,包括聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、尼龙、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。因为使用热方法连接PTFE圆盘不需要粘合剂,所以工艺简单、清洁和持久,而卷筒上的PTFE圆盘可用于自动化生产线上。

可以使用热铆钉机做样品。用于粘结PTFE圆盘的另一种常用技术是超声波密封,使用高频能量粘合材料。脉冲焊接是另一种选择,它是热铆接的一种形式,方法是把要粘合区域的金属棒快速加热然后冷却。与传统的热铆接工艺相比,脉冲焊接可以使粘合时PTFE和外壳变形最小化,而且很牢固,用时很短。

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图4. 通过注塑可以将PTFE排气孔并入外壳。

注塑是将排气孔固定到LED外壳上的另一种方法(图4)。在这种方法中,最初将PTFE圆盘放置在模具内部,塑料注入圆盘周围,在排气孔的边缘周围形成防水密封。

将PTFE排气孔连接到LED外壳还有其他方法。背衬粘合剂的圆盘(图5),市场上现在有出售。这种盘上的PTFE材料的中心没有被粘合剂覆盖,目的是让气流通过排气孔。这种产品很耐用,可以持续多年。数百万个背衬粘合剂的光盘已被用于诸如户外LED照明、LED汽车前大灯和其他汽车电子设备中。由于烧结的PTFE比延展的PTFE更硬,因此一些背衬粘合剂的烧结PTFE圆盘的额定值为IP66,可承受直接喷水而无需保护盖。

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图5. 背衬粘合剂的的PTFE圆盘以卷筒形式供应。

无背衬粘合剂的PTFE排气孔也可以并入LED照明设计。这种排气孔的装配选择包括干涉配合,例如压配合或卡扣式外壳。

设计可靠性

LED在照明产品中的一个主要优点是产品寿命长。 但可靠的运行不仅仅是光源,还包括照明设备的所有元件,如材料。保护性排气孔是保护和提供气流给LED灯具的简单有效的方式。排气孔可以防止外壳内冷凝及过早失效。

实际上,将PTFE排气孔连接到LED照明外壳上是比较直接的。原型可以用热铆接或超声波焊接设备制成。如果产品达到高容量,可以在排气孔周围加入外壳部件。胶粘盘是另一个简单而坚固的选择。

工程师或设计人员设计考虑的因素包括:1)入口(液体)保护的水平(如IP66,IP45等); 2)排气孔尺寸或达到排气所需的端口数量;3)机械硬度和强度;和4)排气口形状,例如压敏及背衬粘合剂的PTFE圆盘或矩形,压入(过盈配合)塞或螺旋孔。

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