LED本身是堅(jiān)固可靠的光源，對(duì)于存在水分和其他危害的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是固態(tài)照明(SSL)中一個(gè)很具有吸引力的選擇，其耐用性也增加了能效優(yōu)勢(shì)。理想情況下，將可能會(huì)暴露在潮濕、多塵或臟污環(huán)境中的LED產(chǎn)品進(jìn)行密封，以免損壞內(nèi)部電子元件。但是，密封產(chǎn)品可能導(dǎo)致外殼或密封失效，原因是LED及其驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生熱量引起內(nèi)部壓力逐漸積聚。增加一個(gè)疏水性微孔排氣孔，通過將灰塵和液體從外殼中排出，并減輕外殼中的壓力或負(fù)壓來(lái)保護(hù)產(chǎn)品。這是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方式。

　　可能需要排氣孔的固態(tài)照明應(yīng)用范圍從戶外到室內(nèi)。在戶外，必須經(jīng)受住自然因素;在室內(nèi)，工作環(huán)境會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。例如，圖1展示了一盞LED路燈，它會(huì)遭受到大雨和其他天氣，可能會(huì)導(dǎo)致水分進(jìn)入。而在室內(nèi)，比如在食品服務(wù)等應(yīng)用中，固態(tài)照明就需要排氣孔，因?yàn)樵谶@些地方會(huì)使用壓力清洗。此外，任何必須承受溫度循環(huán)的應(yīng)用都可能需要帶排氣孔的燈具。

　　圖1

　　室外LED燈具應(yīng)采用排氣孔，防止透鏡起霧，防止水分損壞里面的電子設(shè)備。

　　排氣孔可以保持水分流出，避免冷凝，能夠平衡壓力。具有諷刺意味的是，有排氣孔的燈具在惡劣的環(huán)境中可以證明比完全密封外殼的設(shè)計(jì)更可靠。

　　多孔材料

　　我們先討論LED燈具設(shè)計(jì)中排氣孔的一些材料選擇。聚四氟乙烯(PTFE)由于其天然的疏水性，耐化學(xué)性、耐熱和紫外(UV)穩(wěn)定性而通常用于這種保護(hù)排氣孔。 PTFE保護(hù)排氣孔可由燒結(jié)多孔膜或所謂的延展PTFE或膨脹PTFE(ePTFE)(圖2)構(gòu)成。燒結(jié)的替代物通常更優(yōu)，燒結(jié)材料可抵抗機(jī)械疲勞，通常更強(qiáng)，并且可以滿足UL的可燃性要求。

　　圖2

　　左側(cè)顯示的是燒結(jié)多孔膜，右側(cè)顯示的是延展或膨脹PTFE。延展PTFE比燒結(jié)膜的機(jī)械強(qiáng)度更低，形狀和孔徑選擇更少。

　　聚乙烯(PE)塞或盤是保護(hù)排氣孔的一種低成本選項(xiàng)。但是，PE盤的工作溫度限制較低，并且通常防水抗塵要弱于PTFE。PTFE和PE排氣孔都可以制成片材，可定制的尺寸或三維形狀。

　　LED 照明

　　現(xiàn)在，我們?cè)賮?lái)討論一個(gè)潛在的應(yīng)用，深入了解為什么可靠的燈具操作需要排氣孔。非排氣孔設(shè)計(jì)可能會(huì)遭受災(zāi)難性甚至?xí)簳r(shí)的故障。例如，室外LED燈具就是其中一個(gè)應(yīng)用。比如，由于水分侵入或凝結(jié)，照明外殼內(nèi)的溫度變化可能導(dǎo)致故障。進(jìn)入燈具的水分會(huì)引起透鏡霧化，會(huì)影響光輸出，并且至少會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的功能失效。正負(fù)壓力可能會(huì)損害外殼周圍的密封或接頭，即使是最佳的基于墊圈的設(shè)計(jì)也不能保證在使用中由于溫度、濕度和機(jī)械沖擊下不出現(xiàn)波動(dòng)。

　　燈具的溫度變化可能是運(yùn)行中循環(huán)的自然結(jié)果，也可能是由于外部環(huán)境。根據(jù)各種條件，這些溫度變化可能高達(dá)85°C。 即使假設(shè)溫度升高只有15°C，密封的外殼也會(huì)與外部的大氣有約56 mbar(0.8 psi)的壓力差。由于此壓力超過35-40 mbar，因此保護(hù)LED電子元件的密封和墊片材料可能會(huì)泄漏，潮濕或灰塵就會(huì)侵入。

　　IP等級(jí)選擇

　　開發(fā)新產(chǎn)品的燈具開發(fā)人員應(yīng)該將排氣孔作為首個(gè)設(shè)計(jì)步驟之一。產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)選擇一種排氣材料和實(shí)施方式，以滿足應(yīng)用的氣流、流體侵入阻力和機(jī)械要求。燒結(jié)多孔排氣孔，比如粘合盤、塞或螺旋孔排氣孔，可以允許空氣流動(dòng)，同時(shí)連續(xù)地保護(hù)燈免受雨水和其它液體的影響 盡管透氣孔可以釋放空氣壓力并且使燈具內(nèi)的水冷凝最小化，但排氣孔把液體水保持在殼外的能力也是相當(dāng)重要的。

　　典型的膜性能和等級(jí)

　　排氣孔規(guī)格由應(yīng)用和根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)60529要求的入口防護(hù)(IP)決定的。IP等級(jí)是指產(chǎn)品對(duì)潮濕和灰塵進(jìn)入的魯棒性。 任何外殼或燈具應(yīng)具有IP等級(jí)，根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分類。 圖3總結(jié)了IP代碼。

　　圖3 防護(hù)等級(jí)圖顯示了保護(hù)范圍

　　隨著IP數(shù)量增加到IP66，環(huán)境挑戰(zhàn)變得更加困難。一般來(lái)說(shuō)，如果產(chǎn)品符合特定的IP等級(jí)，比如IP65，則它在較低的等級(jí)下會(huì)抵抗污染物和液體的侵入。對(duì)于與液體相關(guān)的IP等級(jí)，IPx7和IPx8表示水下等級(jí)，它們可能不會(huì)比IPx5或IPx6更難通過，而IPx5或IPx6等級(jí)必須抵抗直接高壓噴水。

　　為了將應(yīng)用程序和材料相匹配，在圖3中總結(jié)了可能用于多孔排氣孔的不同材料類型、典型IP等級(jí)。選擇具有適當(dāng)防水性能的多孔膜材料可以確保液體和污染物不會(huì)進(jìn)入并損害內(nèi)部電子元件。如果光源需要噴水清潔燈泡，則建議使用IP66級(jí)通氣孔，在圖表底部用紅色橢圓突出顯示。不然的話，IP64通氣孔可以充分工作，在圖表中就用紅圈標(biāo)出了這樣一個(gè)IP64選項(xiàng)。

　　排氣孔與燈具的接合和組裝

　　一旦選擇了排氣孔材料，就必須考慮如何將該材料應(yīng)用于燈具上。根據(jù)所選擇的材料和燈具的機(jī)械設(shè)計(jì)，有許多選擇。

　　裝配時(shí)，通常要考慮散熱問題。PTFE的熔點(diǎn)高達(dá)326.8°C。因此，需要將另一種塑料加熱并熔化成多孔PTFE結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)PTFE排氣孔的粘結(jié)。PTFE粘結(jié)的材料應(yīng)具有良好的流動(dòng)性能和低于260℃的熔融溫度。適用于與PTFE焊接的大多數(shù)熱塑性材料，包括聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、尼龍、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。因?yàn)槭褂脽岱椒ㄟB接PTFE圓盤不需要粘合劑，所以工藝簡(jiǎn)單、清潔和持久，而卷筒上的PTFE圓盤可用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上。

　　可以使用熱鉚釘機(jī)做樣品。用于粘結(jié)PTFE圓盤的另一種常用技術(shù)是超聲波密封，使用高頻能量粘合材料。脈沖焊接是另一種選擇，它是熱鉚接的一種形式，方法是把要粘合區(qū)域的金屬棒快速加熱然后冷卻。與傳統(tǒng)的熱鉚接工藝相比，脈沖焊接可以使粘合時(shí)PTFE和外殼變形最小化，而且很牢固，用時(shí)很短。

　　圖4 通過注塑可以將PTFE排氣孔并入外殼

　　注塑是將排氣孔固定到LED外殼上的另一種方法(圖4)。在這種方法中，最初將PTFE圓盤放置在模具內(nèi)部，塑料注入圓盤周圍，在排氣孔的邊緣周圍形成防水密封。

　　將PTFE排氣孔連接到LED外殼還有其他方法。背襯粘合劑的圓盤(圖5)，市場(chǎng)上現(xiàn)在有出售。這種盤上的PTFE材料的中心沒有被粘合劑覆蓋，目的是讓氣流通過排氣孔。這種產(chǎn)品很耐用，可以持續(xù)多年。數(shù)百萬(wàn)個(gè)背襯粘合劑的光盤已被用于諸如戶外LED照明、LED汽車前大燈和其他汽車電子設(shè)備中。由于燒結(jié)的PTFE比延展的PTFE更硬，因此一些背襯粘合劑的燒結(jié)PTFE圓盤的額定值為IP66，可承受直接噴水而無(wú)需保護(hù)蓋。

　　圖5 背襯粘合劑的的PTFE圓盤以卷筒形式供應(yīng)

　　無(wú)背襯粘合劑的PTFE排氣孔也可以并入LED照明設(shè)計(jì)。這種排氣孔的裝配選擇包括干涉配合，例如壓配合或卡扣式外殼。

　　設(shè)計(jì)可靠性

　　LED在照明產(chǎn)品中的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品壽命長(zhǎng)。 但可靠的運(yùn)行不僅僅是光源，還包括照明設(shè)備的所有元件，如材料。保護(hù)性排氣孔是保護(hù)和提供氣流給LED燈具的簡(jiǎn)單有效的方式。排氣孔可以防止外殼內(nèi)冷凝及過早失效。

　　實(shí)際上，將PTFE排氣孔連接到LED照明外殼上是比較直接的。原型可以用熱鉚接或超聲波焊接設(shè)備制成。如果產(chǎn)品達(dá)到高容量，可以在排氣孔周圍加入外殼部件。膠粘盤是另一個(gè)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固的選擇。

　　工程師或設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)考慮的因素包括：1)入口(液體)保護(hù)的水平(如IP66，IP45等); 2)排氣孔尺寸或達(dá)到排氣所需的端口數(shù)量;3)機(jī)械硬度和強(qiáng)度;和4)排氣口形狀，例如壓敏及背襯粘合劑的PTFE圓盤或矩形，壓入(過盈配合)塞或螺旋孔。