燈具內(nèi)外壓差及呼吸器的研究

洪曉松

燈具內(nèi)外壓差及呼吸器的研究

洪曉松

廣東省科技計劃項目（項目編號：2009A080301007）

洪曉松 張成良 姜元方 胡尋案

惠州雷士光電科技有限公司

本文通過理想氣體狀態(tài)方程分析了燈具內(nèi)外壓差的情況。當(dāng)燈體內(nèi)部溫度上升到70 ℃時，燈體要承受1.5 m水柱當(dāng)量的壓力。另外，利用72 W中型投光燈為實例分析了燈具對呼吸器排氣速度的需求。要使燈體內(nèi)氣壓與外部平衡，排氣速度需求是隨時間減少的，最高時近100 mL/min。從實驗結(jié)果和MatLab擬合對比發(fā)現(xiàn)，安裝呼吸器后，燈具內(nèi)外氣壓差會有一個峰值，而壓差峰值的大小會因為呼吸器的選擇而不同。本研究為戶外燈具的呼吸器的選型提供了新思路。

概述

城市燈光環(huán)境離不開光源的開發(fā)和燈具設(shè)計形式及技術(shù)的發(fā)展，光源與燈具設(shè)計除其光亮、色彩給城市帶來的美感之外，燈具本身的形象和特色也為美化城市增添優(yōu)雅的筆觸。從公共場所到住宅庭園設(shè)計，從商業(yè)環(huán)境到會展展示設(shè)計，戶外照明設(shè)計已成為21世紀(jì)各類環(huán)境設(shè)計中舉足輕重的關(guān)鍵要素。

在戶外，時刻面臨著各種惡劣的環(huán)境，日曬雨淋、沙塵飛揚，這些都是影響燈具正常工作的不利因素。對于戶外燈具而言，防水防塵十分重要。如果氣密性不好，會造成水汽、粉塵的侵入，引起燈具內(nèi)部結(jié)霧、積水凝霜、破壞透光效果等一系列問題，嚴(yán)重影響燈具照明、壽命和外觀。固態(tài)防護措施可以防止水和灰塵的進入，保證燈具內(nèi)部工作的穩(wěn)定性，從而提高燈具內(nèi)部各部件的壽命。因此，戶外燈具設(shè)計要求具有很好的氣密性。

然而，燈具內(nèi)部與外部隔絕，并且保證了一定的氣密性，在燈具工作過程中，產(chǎn)生的熱量使燈具內(nèi)的氣體受熱膨脹，必將使燈具內(nèi)外的氣壓不平衡，因而產(chǎn)生了內(nèi)外壓力差。當(dāng)溫度不斷上升時，燈具內(nèi)部的氣壓也相應(yīng)增大，燈具會因內(nèi)部壓力過大而發(fā)生開裂，甚至炸裂。因此，如何合理的處理燈具的內(nèi)外壓力差是燈具設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

實驗

燈具內(nèi)外壓力差產(chǎn)生原理

燈具內(nèi)部可以看作一個大小固定的腔體，根據(jù)氣體狀態(tài)方程：

（其中P為壓強單位pa，V為腔體體積單位m3，n為氣體物質(zhì)的量，T為熱力學(xué)溫度，R為理想氣體常數(shù)）

假設(shè)燈具密封，環(huán)境攝氏溫度T0，當(dāng)燈具未通電時，腔體內(nèi)溫度及壓強與外部一致。則有：

當(dāng)燈具通電工作后，腔體內(nèi)溫度上升到T1，對于密封腔體，V與n不隨溫度改變，則此時的氣壓為：

此時，燈具內(nèi)外氣壓差為：

（其中P0=105pa，R=8.314（pa*m3）/（mol*K））

假設(shè)環(huán)境溫度t0=25℃，則：

也就是，當(dāng)燈體內(nèi)部溫度上升到70℃，有：

意味著燈體要承受1.5m水柱當(dāng)量的壓力。

燈具對呼吸器排氣速度的需求

下面以一個燈具為例，對燈體溫度及氣壓變化與呼吸器排氣量關(guān)系進行探究。所選燈具為72W中型投光燈，防塵防水級別為IP66，主要用于戶外照明。經(jīng)計算，燈具內(nèi)部腔體體積V0約2712mL。利用溫度探頭對燈體內(nèi)外的溫度進行了檢測，收集了燈具正常工作（開關(guān)打開為始）203min的溫度數(shù)據(jù)。

通過式子（6）可以算出當(dāng)燈具密封時每一時刻的內(nèi)外壓強差（假設(shè)環(huán)境氣壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）

可見，當(dāng)溫度平穩(wěn)后，密封的燈具受到0.091 bar的向外壓力，即91 cm水柱當(dāng)量的壓力。如果壓力不及時釋放，必會對燈具結(jié)構(gòu)造成損害。

由于壓強差與時間成正比，因此當(dāng)溫度上升速度越快，壓強差增加越快。燈具內(nèi)部壓強的增加，是由于內(nèi)部氣體受熱后擴張，擴張的速度也就與溫度上升的速度成正比，此時能否有效抑制燈體內(nèi)部氣壓就與呼吸器排氣速度有直接關(guān)系。

前文我們假設(shè)燈具密封，得出壓強差的變化過程。若假設(shè)溫度上升時，燈具內(nèi)部氣體可以順利排出，此時我們便可以得到一個排出氣體總量的變化過程。首先由式（1）有：

因為燈具腔體體積為V0=2712 ml，因此有：

則工作時氣體體積為：

排出氣體總量為：

由式（11）可以得到表2數(shù)據(jù)，利用matlab擬合，可以得到dV與t的關(guān)系式：

可以看到擬合結(jié)果較為符合。式（4）對時間t求導(dǎo)，可得每分鐘對應(yīng)排出的氣體量：

利用式（13）作dV/dt圖。

可見，要使燈體內(nèi)氣壓與外部平衡，排氣速度需求是隨時間減少的，最高時近100mL/min。

然而，對于依靠呼吸器排氣的燈具，主要因為呼吸器的排氣速度是與氣壓差密切相關(guān)的，當(dāng)壓差越大時排氣速度越大。而根據(jù)速度要求最高的時刻是剛開始的時候，而此時壓強差恰好是比較低的，在0.01 bar以內(nèi)。此時呼吸器的排氣速度由于壓差低而發(fā)揮不了最大作用，會造成開始一段時間，燈體內(nèi)部氣壓依舊是上升的，當(dāng)?shù)竭_一定臨界點壓差以及內(nèi)部空氣溫度上升使呼吸器排氣速度開始大于其他膨脹速度，此時壓差才開始下降。

總結(jié)

對于大功率及戶外燈具，由于高溫（低溫）造成燈具內(nèi)外氣壓差達到一個對燈具結(jié)構(gòu)造成損害的值，溫差45℃時壓差達0.15bar。因此此類延長此類燈具的使用壽命，應(yīng)該使用呼吸器降低壓差。

然而并非隨意安裝一個呼吸器就可以避免壓差的損害。由前文可見，安裝呼吸器后，燈具內(nèi)外氣壓差會有一個峰值，而壓差峰值的大小會因為呼吸器的選擇而不同。呼吸器選擇不當(dāng)或質(zhì)量不過關(guān)，將會因為過大的壓差峰值而對燈具造成影響。因此選擇呼吸器時應(yīng)該根據(jù)呼吸器質(zhì)量、燈具功率以及工作環(huán)境進行合理評估。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.077