LED汽車燈具防霧裝置設(shè)計及應(yīng)用

梁海志，劉東靜，陸 翰，覃有硬

（桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

LED汽車燈具防霧裝置設(shè)計及應(yīng)用

梁海志，劉東靜，陸 翰，覃有硬

（桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

LED作為第4代照明產(chǎn)品憑借節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢逐漸應(yīng)用于汽車照明領(lǐng)域，然而，隨之而來發(fā)現(xiàn)LED汽車燈具起霧現(xiàn)象普遍存在，既影響了車燈的照明效果又影響車燈的使用壽命，嚴重威脅了人們的出行安全。因此，本文提出一種基于濕度傳感器、加熱片和納米涂層的雙重防霧設(shè)計裝置，盡可能地減少燈內(nèi)的水分，保證車燈使用壽命。該裝置結(jié)構(gòu)明顯提高LED汽車燈具的防霧能力，促進中國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展。

LED 汽車燈具；傳感器；加熱片；納米涂層；雙重防霧設(shè)計

隨著經(jīng)濟的全球化和智能制造的快速發(fā)展，不管是城市還是農(nóng)村，交通設(shè)施得到了前所未有的飛躍，也進一步帶動了汽車制造業(yè)的發(fā)展［1］，尤其是在汽車燈具照明技術(shù)方面。LED作為第4代照明產(chǎn)品憑借節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢逐漸應(yīng)用于汽車照明領(lǐng)域，如奧迪R8和雷克薩斯LS600h車型前照燈。然而在使用過程中發(fā)現(xiàn)燈具起霧嚴重影響著LED汽車燈具的安全，由于水汽的存在，一方面導(dǎo)致燈具環(huán)境潮濕從而影響燈具內(nèi)元器件的使用壽命；另一方面，當(dāng)燈具環(huán)境溫度降低，燈具內(nèi)的水汽會形成一層霧氣，嚴重影響車燈的照明。因此，如何開展LED燈具的防霧裝置設(shè)計研究，成為學(xué)者關(guān)注的重點和難點。

1 燈具起霧研究現(xiàn)狀

燈具的起霧涉及到熱流動、傳導(dǎo)、材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面的知識，是一個多學(xué)科的交叉問題［2］。國內(nèi)外的學(xué)者主要從試驗測試和數(shù)值仿真的角度開展相關(guān)的研究工作。在試驗方面，采用高低溫長時間的淋雨試驗或存儲試驗來驗證前照燈的各項性能，觀察是否存在結(jié)露現(xiàn)象，提出改進措施［3-4］。在數(shù)值模擬方面，主要是分析燈具產(chǎn)品的內(nèi)部溫度場、流動場、水汽濃度場等，通過車燈結(jié)構(gòu)死角區(qū)域進行優(yōu)化和改進［5-10］。研究分析認為燈具內(nèi)出現(xiàn)霧氣的原因是燈具內(nèi)的水汽含量低于樣品工作過程中飽和溫度面罩表面形成的膜狀和水珠狀凝結(jié)，也就是說這是一定條件下水蒸氣在燈罩表面氣液轉(zhuǎn)換的結(jié)果。其中，燈具內(nèi)的水蒸氣主要是燈具內(nèi)存在的積水和與環(huán)境換氣過程帶來水分蒸發(fā)的結(jié)果。

2 LED汽車燈具起霧分析

1）燈具環(huán)境溫度的變化 當(dāng)車燈點亮、熄滅或者轉(zhuǎn)向燈閃爍時，燈具經(jīng)歷著溫度不斷上升和下降的狀態(tài)，而汽車燈具內(nèi)的溫度分布遵循著輻射換熱和自然對流換熱相結(jié)合的方式，但由于燈具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局限性，一定程度對這2種方式的熱傳遞產(chǎn)生了阻擋作用，不能實現(xiàn)溫度的均勻分布，燈具內(nèi)部溫度的不均勻是導(dǎo)致燈具起霧的主要因素。圖1為奇瑞A5前照車燈結(jié)構(gòu)的實物圖，圖2為燈具沿X方向溫度模擬仿真的分布結(jié)果。從圖2可以看出其溫度分布特點：兩端溫度較低，中間部位溫度較高，而且整體分布不均勻。

圖1 奇瑞A5前照車燈結(jié)構(gòu)

圖2 車燈沿X方向模擬溫度分布

2）水蒸氣對流場的形成 在一定條件下，水蒸氣在燈罩表面氣液轉(zhuǎn)換形成起霧現(xiàn)象，其中，燈具內(nèi)的水蒸氣主要是燈具內(nèi)存在的積水與環(huán)境換氣過程中水分蒸發(fā)的結(jié)果，燈具內(nèi)的水蒸氣是不可避免的。而當(dāng)燈具內(nèi)的水蒸氣處在溫度不斷變化并且分布不均勻的燈具環(huán)境時，這就使得水蒸氣在燈具內(nèi)部出現(xiàn)流動現(xiàn)象。水蒸氣的流動一方面加劇了與外部環(huán)境的換氣速率，另一方面也將熱量傳遞到燈具內(nèi)的各個腔體處。雖然燈具內(nèi)部與外部環(huán)境的換氣過程可以將燈內(nèi)的一部分水蒸氣排出，但效果并不明顯，燈具內(nèi)部各個部位仍然存在著大量水蒸氣，特別是在溫度較低的區(qū)域，水汽現(xiàn)象更為嚴重。從圖1也可以看出，霧氣的產(chǎn)生主要在車燈溫度較低、角度相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)角落。圖3為車燈點亮?xí)r燈內(nèi)水蒸氣的流動示意圖，當(dāng)車燈點亮?xí)r，車燈部位溫度最高并向周圍傳熱，同時加熱水汽并使其向左下角和右上角方向流動。

圖3 車燈點亮?xí)r燈內(nèi)水蒸氣流動示意圖

3）存在霧氣凝結(jié)核 凝結(jié)核是導(dǎo)致霧氣凝結(jié)必不可少的因素，在燈具內(nèi)部零件的表面，特別是面積較大的面罩內(nèi)表面，存在著微細凹凸不平的凝結(jié)核。

3 LED汽車燈具防霧結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化 本裝置首先對燈具整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對內(nèi)部修飾框結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以減少死區(qū)角度和遮擋效應(yīng)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 車燈整體設(shè)計示意圖

2）設(shè)計加熱片加熱水汽并及時排出水蒸氣 為防止燈內(nèi)積水過多，在燈內(nèi)安裝加熱片，將水汽加熱使其氣化并將其排出。首先，根據(jù)圖1的霧氣分布情況，在車燈內(nèi)左側(cè)霧氣分布較多的位置安裝濕度傳感器以實時監(jiān)測燈內(nèi)水汽含量，并設(shè)置一閾值（具體閾值根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)經(jīng)過試驗設(shè)定）。當(dāng)濕度傳感器檢測到的濕度數(shù)據(jù)大于閾值時，便啟動加熱片加熱。同時在燈內(nèi)安裝加熱片，位置對應(yīng)車燈點亮?xí)r溫度較高的部位（具體準(zhǔn)確位置根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)經(jīng)過試驗決定），使車燈在熄火狀態(tài)下，啟動加熱片加熱也能使水蒸氣產(chǎn)生像圖3所示的流動情況。然后根據(jù)圖3車燈點亮?xí)r燈內(nèi)水蒸氣的流動情況，在燈內(nèi)設(shè)置2個通氣孔，位置對應(yīng)加熱器啟動加熱時水蒸氣流向的部位（具體準(zhǔn)確位置根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)經(jīng)過試驗決定），讓流動的水蒸氣從2個通氣孔中流出燈外。

3）涂覆納米涂層使霧氣液化并排出液態(tài)水 由于燈具結(jié)構(gòu)的局限性，使得受熱流動的水蒸氣并不能全部從通氣孔流出，停止加熱時雖然水汽含量大大減少，但仍有一部分水汽滯留在燈內(nèi)。為了防止隨著車燈溫度的降低引起水蒸氣遇冷在車內(nèi)結(jié)構(gòu)體表面形成水珠的隱患，在車燈內(nèi)的結(jié)構(gòu)表面涂覆一層納米疏水層，使水蒸氣遇到疏水層時能夠均勻地鋪展開，當(dāng)水汽含量過高時，在疏水層上鋪展均勻的水分會越來越多慢慢液化，而液化形成的水滴由于重力因素會緩慢下流、聚集并最終從所設(shè)的左下角的通氣孔流出燈外。從而，很大程度減少了燈內(nèi)滯留的水分。

4）防霧的動態(tài)平衡設(shè)計 通過加熱片對水汽加熱使水汽從通氣孔流出，停止加熱后，設(shè)計的疏水層讓遺留在燈內(nèi)的水汽液化成液滴然后從底下通氣孔排出，雙重排霧，動態(tài)過程流程圖如圖5所示，最大可能地減少車燈內(nèi)的水汽。

圖5 動態(tài)過程

4 結(jié)論

不同汽車的車燈結(jié)構(gòu)大同小異，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中防霧原理大致相同，其中涉及到的因素有很多，包括車燈結(jié)構(gòu)、溫度場、濕度場、流動場、所處環(huán)境等。通過剖析起霧原因，本文提出基于濕度傳感器、加熱片和納米涂層的雙重防霧設(shè)計裝置，盡可能地減少燈內(nèi)的水分，保證車燈使用壽命。

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Design and Application of Vehicle LED Lamp Anti-fog Device

LIANG Hai-zhi， LIU Dong-jing， LU Han， QIN You-ying
（Electric Mechanical Engineering School， Guilin University of Electric Technology， Guilin 541004， China）

With advantages of energy conservation and environmental protection， LED is considered as the fourth generation of lighting products and gradually applied in the field of automotive lighting. However， the fog on LED lamps becomes a common issue， which affects the light and the service life of lamps. This is a serious threat to travel security.Therefore， the apparatus is put forward in this paper， which includes the humidity sensor， heating plate and nano coating device. This design can reduce moisture inside the lamp as much as possible to ensure lamps service life. The apparatus can prevent mist going into LED lamps and lanterns， which contributes to the development of automobile industry in our country.

LED car lights； sensor； heater； nano-coating； double anti-fog design

U463.65

A

1003-8639（2017）12-0048-02

2017-05-23；

2017-06-19

2016年廣西高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201610595093）

劉東靜（1986-），女，河南周口人，講師，博士，從事汽車電子可靠性研究工作。

（編輯 楊 景）