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技术文章 | 采用适当通风系统提高前照灯冷凝性能

原文标题:Enhanced condensation performance in headlamp with appropriate venting systems

作者:B. Prosperi 1,A.-M. Ochoa2, G. Xie3, J.-L. Coppee4

1Valeo Lighting Systems, Bobigny, France

2Valeo Lighting Systems, Martos, Spain

3Valeo Lighting Systems, Wuhan, China

4 Valeo Lighting Systems, Le Hainaut, Belgium

编译:史晨阳 李奕帆 井硕

指导老师:林燕丹



1

介绍


据统计,热带和北方国家最容易出现冷凝现象,并且冷凝现象可能在任何地方和任何时间发生。对于前照灯来说,发动机环境在温度和湿度方面有额外的限制。当引擎运行时,透镜上看到冷凝现象是不足为奇的。对于80%的汽车制造商来说,出现冷凝现象是可以接受的。但是,冷凝现象现象应该在停车一小时内或行驶半小时内消失。

冷凝是内透镜温度降至露点温度以下时发生的自然现象。露点温度取决于空气的湿度。前照灯内的湿度随车辆的使用情况而变化。为了保证测试的稳定性,我们将给定产品和“参考”产品的性能进行对比。

所谓“参考”产品是一件令人满意的产品。例如,如果一个产品每年的不良率低于500ppm,就将被认为是一款好产品并作为一个参考。鉴定“参考”产品是通过产品技术、制造商和地区划分的。

在本文中,我们将分析设计的重要性,并给出优化方案。然后,我们将重点讨论通风系统的作用,并分析如何选择通风系统。最后,我们将讨论解决工程中冷凝问题的替代方案。


2

冷凝建模


A、车灯内部空气循环


为提高照明产品抗冷凝性能,我们提出了一种除雾方法。本方法适用于所有产品(卤素、氙气或LED灯具),并且已经针对不同厂家的使用方案与车辆进行了验证。

该方法用于对正在开发的前照灯冷凝性能进行量化,并对未达到“参考”产品级别的产品进行优化。通过对仿真结果的分析,可以确定冷凝现象产生的临界区域(如图1所示),从而对前照灯内部几何结构进行优化以改善空气循环,从而加快除雾速度。

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a-模拟,b-测试

图1 断电状态下的冷凝区

通过仿真可以比较两个解决方案,并对给定解决方案的影响进行量化。以下是反馈意见:

•行驶状态除雾方案使机械设计更具灵活性。该方案是利用壳体后部压差产生的气流而实现的,这种气流很容易通过管道流向冷凝区(图2a)。

•配有风扇的产品也为设计提供一定的灵活性。风扇产生的气流(> 10m/s)可以很容易地定向到透镜的冷凝区域(图2b)。

•在“停止状态”下,没有装配风扇的产品在设计时缺乏灵活性。如果不在设计上有很大的变化,由自然对流引起的气流就不能够到达底部透镜(图2c)。

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a-入口强制对流,b-风机强制对流,c-自然对流

图2 风速的截面示意图

仿真软件是前照灯设计的重要工具。虽然在仿真过程中考虑到了很多物理参数,但仍然存在一些局限性。主要问题是,未考虑到塑料部件的吸水性。

B.塑料件湿度解吸


塑料的特征是具有一定的吸湿系数,该系数表示在平衡状态时材料中所含的水量。例如,在环境条件稳定在23°C及60%的相对湿度时,未处理的塑料部件达到平衡需要72小时(图3),表面进行金属化处理的塑料部件稳定过程更长。测量结果表明,3天后表面金属化部件的吸水量仅为未处理部件吸水量的一半(图3)。

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图3 23℃、 100% RH的塑料部件的吸水情况


一盏前照灯平均由3Kg塑料组成。当达到平衡时,塑料的总含水量约为6g。温度的提升会使塑料释放出一部分水蒸气,从而增加灯具内部的环境湿度。当空气温度从25℃增加到60℃时的结果如下图4所示。

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图4 在预热过程中测量不同位置前照灯内的湿度变化

在设计过程中,首先根据塑料的光、机、热性质来选择材料,其次考虑材料成本,最后考虑在极端情况下减少水分释放的性能。

在这里我们提出了一种塑料模型,该模型考虑了环境温度和散热影响。该模型已通过内部工具中实践,并通过实验室测试进行校准。最后,该工具允许与“参考”工具相比较,评估与给定项目相关的凝结风险。此外,该工具可以通过选择合适的材料确定项目的方向(参见图5)。

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图5 塑料件含水量与灯内含水量总质量的比值

该工具的主要限制是它缺乏考虑产品历史的能力。事实上,产品的初始状态很大程度上取决于产品的存储。例如,船只运输后,塑料的湿度负荷可以比正常温度和湿度条件下高出4倍。这解释了在干燥和加湿等受控阶段,当测试过程不够完全时,测试之间的差异。

多年来,前照灯被设计成具有防水防潮的功能。项目组过去以避免湿气进入头灯内部的方式完成设计。今天,设计目标已经改变,塑料的数量急剧增加,而产品的体积几乎保持不变。为了提高实际应用中的使用效果,内部湿度必须从外部抽走。

C.湿度交换-通风

灯具与其环境之间的湿度交换主要通过通风口完成以下两种水分传递机制:

•在灯具内外湿度浓度梯度的驱动下,水分通过通风口扩散;

•当灯打开时,通过灯内温度梯度产生的通风口(自然对流)或通过汽车运动产生的外部气流(强制对流)与空气进行对流。

我们在实验室中对两种不同通气孔(封头与胶膜)的LED雾灯进行了测试,比较了两种不同通气孔(封头与胶膜)在水分扩散传递方面的性能。试验分为两个阶段,重复两次(图6)。

在第一个循环的第一个阶段,灯通过打开一个小时来预热。由于塑料件吸收的水分(主要来自表面)的释放,灯具内部的比湿增加了约20 g/kg左右,达到露点会在镜片上凝结。持续一小时的第二阶段是通过关闭灯和将镜头浸入水中来实现灯的快速冷却。这一阶段对应于温度下降时比湿的突然降低(即湿气返回到塑料中)。

这两个阶段都重复第二次。装有密封帽的灯的湿度的增加和冷凝面积与第一个周期的观察结果非常相似。这是由于水蒸气通过封口缓慢地向灯外流动造成的。而对于带膜的灯,相对于第一暖机阶段,湿度的增加较小,并且由于水蒸气通过膜向灯外快速传递,不会再发生冷凝。

由于水蒸气通过薄膜向外快速传递,与薄膜的冷凝更少,而且被更快地除去。该测试已应用于雾灯,但前照灯的结论将保持相同。

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图6 LED雾灯两种不同通风口的比湿变化:封头与胶膜

Valeo的理念是确保产品的“良好”透气性。然而,在高湿度的环境条件下,过多的透气性会降低冷凝性能。最后,要找到一种折衷办法,以便适当交换湿度。




3

通风性能


通风性能被广泛的应用在汽车生产中。我们开发并应用了一些实验方法来描述通风系统在通过扩散和对流传递水分的性能。

A、封闭通风/膜-通过扩散传递


灯具的通风系统的水分扩散速率可以用菲克定律[6]来描述。在稳定条件下,通风系统扩散湿度的性能可以用透蒸汽透射率法表征,其表达式为:

dv:水蒸气在空气中的扩散系数

a:排气口的横截面面积

l:通风口的长度

∆h:水蒸气的浓度差(常数)

MVTR随排气维度(比A / L),取决于测量条件:水蒸气的浓度差(∆H)和温度因为DV随温度改变。这些效应已通过实验得到证实(图7-a、7-b)。

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a-水蒸气的浓度之差,b-温度之差

图7 适用于不同的通风系统

通过应用一个重量测试方法,不同通风口的A/L已经实验确定,同时MVTR模型,通过排气温度和浓度差湿度的函数计算每日水蒸气扩散的平均数量,得出如图所示结论。MVTR公式的结论为,高水分扩散率是通过增加排气的横截面积,A,或通过减少通风的“长度”,L。

•cap通风口具有A /L参数小的特点,典型的水分扩散速率小,因此水分传递缓慢。

•以A/L参数(高得多)为特征的胶粘剂膜具有典型的(高得多)扩散速率,并能(快得多)实现水分转移。

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图8 基于MVTR方法的透湿(扩散)通风系统性能研究

B、打开通风/管道-通过对流传递

清除冷凝的一种有效方法是采用“内驱动”策略。这种策略只适用于合适的排气系统。通常情况下,选择像管道样式的开放式通风,原因是它们的压力损失比封闭式通风低。

通风的选择不仅取决于空间、水密性、粉尘和成本限制,而且取决于要达到的性能。采用了一种测量方法来评价流量,以便在给定的压差下确定通风的性能。

待表征的通风安装在密封的加压室(图9),在那里产生超压。体积流量是测量各种压力从0Pa到100Pa,对应于发动机舱内可用的超压。

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图9 容积流量测量实验装置示意图

从项目的角度来看,前照灯的开发需要适应世界的不同地区。对于某些粉尘严重的国家,客户可以要求在通风系统内加入泡沫,以限制粉尘进入。最近的测量表明,当泡沫插入通风系统中时,容积流量可以降低70%(图10)。因此,必须找到尘埃和冷凝之间的折衷办法,以获得可接受的性能。

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图10 开启通风的容积流量与压力损失的函数

最后,压力损失越低,凝结性能越好。或者换句话说,在条件不变的情况下,通风口内有泡沫的前照灯比没有泡沫的前照灯清除时间更长。

C.通风系统的选择

清除冷凝最有效的方法是用外部的新鲜空气更新前照灯的空气。当汽车处于运动状态时,如果根据压力图(图11-a)确定开放通风位置,则壳体后部的动态效应可能通过排气系统产生气流(图11-a)。这种“in-driving”清算策略并不总是符合汽车制造商的要求。一些汽车制造商专注于“静态”清理策略。因此,膜式通风更适合获得最佳的冷凝性能。

在壳体周围的发动机舱内需要进行热映射(图11-b)。测量必须在具有最终动力系统的“in fine”体系结构代表性的车辆上进行。根据这些数据,可以根据可用的空间选择通风,并可以定位空间中的冷区。然后,如果遵循这个简单的规则,使用高扩散率的通风口将在冷凝试验中得到最好的结果。

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图11 a- 100km/h压力作图(项目X);b -温度映射在23°C的环境(项目Y)

从项目的角度来看,在开发的早期阶段(最好是在离开工具之前)获得温度或压力映射并不明显,因为还没有最终确定发动机。因此,汽车制造商通常提供来自模拟或类似项目的数据。这些数据将在验证阶段稍后进行检查,因为可能已经发生了一些修改。然而,通风是在通风组合中选择的(图12),并预先放置在布局中。

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图12 根据动态/静态的清除冷凝性能组合通风

最终验证驾驶测试的目的是校准通风配置,以达到最佳的冷凝性能。再次测量灯后面的温度分布,有助于找到最佳配置。



4

替代方案


作为自然现象,即使考虑到底壳约束,在任何情况下都无法避免结露。为了减少用户对冷凝性能相应的可见美观方面的抱怨,可以提出两种应对措施作为替代解决方案:


一是防雾涂层。


防雾或防雾产品广泛应用于汽车行业,以避免可见的冷凝。该防雾涂料(AMC)由一种表面活性剂和[聚合物基体组成。

AMC基于表面活性剂的原理,即使已经开始凝结,镜头上的水膜也是不可见的。防雾剂的亲水性能降低透镜上水滴的表面张力,从而形成连续的水膜。为了保证涂层的功能性,需要对涂层工艺有严格的了解。实际上,给定AMC的性能取决于固化时间和温度以及应用在透镜上的厚度(图13)。

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图13 AMC性能对清漆厚度的影响

即使使用AMC,头灯内部的湿度仍然需要去除。当内部湿度达到较高水平或持续时间较长时,涂层将被水饱和,冷凝将变得可见。AMC的饱和最终会导致白色的痕迹,也就是所谓的下陷。与不到一小时就能消除凝结相比,下陷的痕迹可以保持很长时间。

目前,大多数高档车都采用AMC解决方案,尤其是全LED大灯。这种解决方案客观地减少了来自最终用户的投诉总数。这种解决方案的好处与在连续的洗车周期或船舶运输过程中可能出现的下陷风险相平衡。为了避免下陷,需要根据镜片形状的设计规则进行检查。在有疑问的情况下,仿真可以帮助判断风险。

不管怎样,我们必须记住,AMC只会在未来几年里不会出现明显的冷凝现象。因此,先前关于灯具设计的建议——从塑料的选择到通风系统的选择——仍然有效,以确保良好的除雾性能。

二是干燥剂。

干燥剂是一个众所周知的解决方案,可以防止任何产品的水分损害。干燥剂是另一种可替代的解决方案,以避免凝结在汽车灯具。头灯内部的水分被干燥剂吸收,从而无法达到露点,从而防止冷凝现象的出现。

干燥剂的使用寿命取决于其内在特性。干燥剂的吸收率(图14)可以根据吸附剂的类型,从自身重量的50%到300%不等。吸收率不仅取决于温度,而且取决于湿度。干燥剂的另一个主要特性是它不能释放已经吸收的水分。最后,这种解决方案的唯一缺点是,一旦干燥剂达到饱和,它就不能再吸收,变得无用。为了延长干燥剂的使用寿命,建议采用低扩散率的通风方式。适当的排气系统可以将溶液的持续时间延长3.5倍。例如,一个5g的干燥剂袋在正常情况下会在3 - 6个月之间饱和。

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图14 在60°C 95% RH时除湿性能与时间

从工程的角度来看,干燥剂可以通过冷凝车试验。为了充分理解原因,必须考虑从装配线开始的干燥剂的影响。由于干燥剂袋装在灯内,相对于塑料,干燥剂更容易吸收湿气。换句话说,它可以防止塑料部件在测试的前几个阶段(即运输、储存、调节等)吸湿。然后,在冷凝试验中,湿度水平终于降低了,因为空气是干燥的,干燥剂保持水分,塑料释放较少的水分。

干燥剂袋的更换对于原始设备制造商来说是一个良好的解决方案,但它要求定期维护,这意味着最终用户的额外成本。具有可变性能的干燥剂袋将是一个不错的解决方案,因为它可以在3个月的生产周期内通过严格的测试,然后在额外的2或3年内继续防止冷凝。



5

总结与展望


汽车照明中冷凝风险的管理并不明显,因为冷凝现象产生的根源是多方面的。无论如何,产品内部水分的调节是关键。机舱布置是决定湿度增加的重要因素,也是决定湿度交换质量的重要因素。

湿度交换取决于通风系统的质量,因为它是产品和环境之间的唯一接口。必须特别注意通风的选择。这种选择必须不仅需要合适的反冷凝策略,而且也必须考虑到汽车的实际性能。数据的可靠性是一个关键点,与汽车制造商的合作旨在定义一种在开发周期内尽快获得这些数据的方法。

对冷凝问题的预测通常从通风系统的预定义开始,然后继续灯具的优化设计,最后是通风的校准。这一过程使汽车在接近生产开始的日期获得最佳性能。对于不接受冷凝的客户,防雾涂料的应用可以作为一种长期的解决方案进行研究,且成本适中。干燥剂溶液由于其使用寿命长,被认为是备用溶液。



文章转载自IFAL公众号


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