灯具内外压差及呼吸器的研究

洪晓松

灯具内外压差及呼吸器的研究

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

本文通过理想气体状态方程分析了灯具内外压差的情况。当灯体内部温度上升到70 ℃时，灯体要承受1.5 m水柱当量的压力。另外，利用72 W中型投光灯为实例分析了灯具对呼吸器排气速度的需求。要使灯体内气压与外部平衡，排气速度需求是随时间减少的，最高时近100 mL/min。从实验结果和MatLab拟合对比发现，安装呼吸器后，灯具内外气压差会有一个峰值，而压差峰值的大小会因为呼吸器的选择而不同。本研究为户外灯具的呼吸器的选型提供了新思路。

概述

城市灯光环境离不开光源的开发和灯具设计形式及技术的发展，光源与灯具设计除其光亮、色彩给城市带来的美感之外，灯具本身的形象和特色也为美化城市增添优雅的笔触。从公共场所到住宅庭园设计，从商业环境到会展展示设计，户外照明设计已成为21世纪各类环境设计中举足轻重的关键要素。

在户外，时刻面临着各种恶劣的环境，日晒雨淋、沙尘飞扬，这些都是影响灯具正常工作的不利因素。对于户外灯具而言，防水防尘十分重要。如果气密性不好，会造成水汽、粉尘的侵入，引起灯具内部结雾、积水凝霜、破坏透光效果等一系列问题，严重影响灯具照明、寿命和外观。固态防护措施可以防止水和灰尘的进入，保证灯具内部工作的稳定性，从而提高灯具内部各部件的寿命。因此，户外灯具设计要求具有很好的气密性。

然而，灯具内部与外部隔绝，并且保证了一定的气密性，在灯具工作过程中，产生的热量使灯具内的气体受热膨胀，必将使灯具内外的气压不平衡，因而产生了内外压力差。当温度不断上升时，灯具内部的气压也相应增大，灯具会因内部压力过大而发生开裂，甚至炸裂。因此，如何合理的处理灯具的内外压力差是灯具设计的重要环节。

实验

灯具内外压力差产生原理

灯具内部可以看作一个大小固定的腔体，根据气体状态方程：

（其中P为压强单位pa，V为腔体体积单位m3，n为气体物质的量，T为热力学温度，R为理想气体常数）

假设灯具密封，环境摄氏温度T0，当灯具未通电时，腔体内温度及压强与外部一致。则有：

当灯具通电工作后，腔体内温度上升到T1，对于密封腔体，V与n不随温度改变，则此时的气压为：

此时，灯具内外气压差为：

（其中P0=105pa，R=8.314（pa*m3）/（mol*K））

假设环境温度t0=25℃，则：

也就是，当灯体内部温度上升到70℃，有：

意味着灯体要承受1.5m水柱当量的压力。

灯具对呼吸器排气速度的需求

下面以一个灯具为例，对灯体温度及气压变化与呼吸器排气量关系进行探究。所选灯具为72W中型投光灯，防尘防水级别为IP66，主要用于户外照明。经计算，灯具内部腔体体积V0约2712mL。利用温度探头对灯体内外的温度进行了检测，收集了灯具正常工作（开关打开为始）203min的温度数据。

通过式子（6）可以算出当灯具密封时每一时刻的内外压强差（假设环境气压为1个标准大气压）

可见，当温度平稳后，密封的灯具受到0.091 bar的向外压力，即91 cm水柱当量的压力。如果压力不及时释放，必会对灯具结构造成损害。

由于压强差与时间成正比，因此当温度上升速度越快，压强差增加越快。灯具内部压强的增加，是由于内部气体受热后扩张，扩张的速度也就与温度上升的速度成正比，此时能否有效抑制灯体内部气压就与呼吸器排气速度有直接关系。

前文我们假设灯具密封，得出压强差的变化过程。若假设温度上升时，灯具内部气体可以顺利排出，此时我们便可以得到一个排出气体总量的变化过程。首先由式（1）有：

因为灯具腔体体积为V0=2712 ml，因此有：

则工作时气体体积为：

排出气体总量为：

由式（11）可以得到表2数据，利用matlab拟合，可以得到dV与t的关系式：

可以看到拟合结果较为符合。式（4）对时间t求导，可得每分钟对应排出的气体量：

利用式（13）作dV/dt图。

可见，要使灯体内气压与外部平衡，排气速度需求是随时间减少的，最高时近100mL/min。

然而，对于依靠呼吸器排气的灯具，主要因为呼吸器的排气速度是与气压差密切相关的，当压差越大时排气速度越大。而根据速度要求最高的时刻是刚开始的时候，而此时压强差恰好是比较低的，在0.01 bar以内。此时呼吸器的排气速度由于压差低而发挥不了最大作用，会造成开始一段时间，灯体内部气压依旧是上升的，当到达一定临界点压差以及内部空气温度上升使呼吸器排气速度开始大于其他膨胀速度，此时压差才开始下降。

总结

对于大功率及户外灯具，由于高温（低温）造成灯具内外气压差达到一个对灯具结构造成损害的值，温差45℃时压差达0.15bar。因此此类延长此类灯具的使用寿命，应该使用呼吸器降低压差。

然而并非随意安装一个呼吸器就可以避免压差的损害。由前文可见，安装呼吸器后，灯具内外气压差会有一个峰值，而压差峰值的大小会因为呼吸器的选择而不同。呼吸器选择不当或质量不过关，将会因为过大的压差峰值而对灯具造成影响。因此选择呼吸器时应该根据呼吸器质量、灯具功率以及工作环境进行合理评估。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.077