技术文章 | 卤素前照灯冷凝及其对策研究

原文标题：Halogen headlampcondensation and its countermeasures investigation

作者:Jacky Wang

Ford Motor Research & Engineering (Nanjing) Co.,Ltd,Nanjing, China

编译：李奕帆 井硕

指导老师：林燕丹

在未来一段时期内，卤素前照灯在前照灯产品中仍然会占有最大的比例。冷凝作为卤素前照灯的关键问题，不仅影响了前照灯的视觉感受，而且还会增大行车的安全隐患。由于前照灯空间较小，内部结构复杂，导致前照灯内外温度不平衡，因此解决这一问题对前照灯的设计提出了更大的挑战。

冷凝是物质在一定条件下由气态变为液态的物理过程。图1为前照灯透镜内表面典型的冷凝现象。有时，客户和经销商会将进水问题视为冷凝现象。实际上，进水与冷凝有一定的关系和区别。正常冷凝是前照灯内部水循环的过程。前照灯必须设置通风系统，用以使内外空气压力平衡。当具有一定湿度的空气进入前照灯内部时，当表面温度等于或低于露点温度时，前照灯的透镜内表面就可能发生冷凝。

在某些特殊情况下，由于胶水、连接器或插座周围的密封不良会导致更多的水蒸气进入前照灯内部，如下雨、洗车等情况。当温度大于露点温度时，水蒸气以气体状态存在，当温度低于露点温度时，大量蒸汽在车灯内表面形成水汽，这种情况比正常冷凝现象更严重。下图2为进水状态，相对于图1的正常冷凝，车灯内表面的水较多。

图1前照灯正常冷凝状态

图2前照灯进水状态

前照灯冷凝会给司机和乘客带来严重的安全问题，前照灯冷凝的危害主要有以下两种:

1)光照性能下降

前照灯的主要功能包括近光灯和远光灯照明，在夜晚、雾天、雨天等恶劣环境下为驾驶员照亮前方道路。因此，在一定的条件下，透镜和反射器表面有时会出现凝结现象。该现象通常会对前照灯的光学性能造成影响，从而导致较差的视觉感受，甚至影响驾驶员的行车安全性。此外，该现象对前照灯的使用寿命存在很大的影响。

2)电子故障

前照灯有许多电子和金属部件，如电机、线路和驱动模块等。当发生冷凝时，水蒸汽聚集在前照灯的内表面。在这种情况下，发生故障的风险就会增加。该现象可能导致部件生锈、腐蚀、短路、寿命缩短等。这些负面影响反过来又可能造成严重的后果，例如，照明和信号电路中断，影响驾驶安全。

针对前照灯冷凝的危害性，必须找出造成冷凝的根本原因以及改善或预防措施。

凝结有两个“关键因素”——露点温度、表面温度。

露点温度(°C或°F)是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。当进一步冷却时，空气中的水蒸气会凝结成液态水(露珠)。

从图3中可以看出，露点温度随着水蒸气压的降低而降低。露点温度越高，空气中的水汽含量就越高。

图3气体的露点温度

露点温度与空气中水汽含量有关，与环境温度无关。通常露点温度总是小于或等于实际温度。另一方面，若前照灯所处的的外部环境温度较低，那么灯具表面温度也会降低。当水蒸气接触到较冷的灯具表面而冷却到露点温度时，水蒸气就会在表面凝结，导致冷凝现象的发生。

根据以上冷凝的知识，减少冷凝的方法有以下两种：降低露点温度或提高灯具表面温度。

在卤素前照灯中，灯具表面温度与外部环境、光源等密切相关。行驶结束并关闭前照灯后，当外部温度较低时，灯具表面温度会迅速下降。提高表面温度是很困难的。比较有效的方法是通过降低灯内的气压和湿度来降低露点温度。根据以往的经验，有以下几种实现方法。

1)增加内外扩散

通风系统加快前照灯内外空气流动速度，可以减少内部湿度，提高内部空气压力。根据上述内容，内部露点温度会随着内部环境的变化而下降。因此建议为前照灯提供足够的空气流通通道。

2)增加关键区域内部流动

与1)类似，加快空气流动速度不仅需要设置通风系统，还需要考虑灯具内部的扩散效率。前照灯的设计趋于轻薄，所以在边框、反射器和外壳之间没有太多的空间。灯具内的气流通道流通性越好，就可以使空气更好地连通壳体区域。水蒸气可以沿着管道从中心区域流向外部。同时，还可以提高解凝性能。从这个角度出发，推荐的方法是增大内部零件之间的间隙或在内部零件上开更多的孔。

图4空气流动是减少冷凝的主要影响因素

3)吸收内部的水分

除了上述改善空气流动的方法外，直接吸收水蒸气来减少内部水汽含量也是一种解决方案。这种方案可以使用干燥剂。

根据以往的设计经验，目前改善冷凝的一般建议有干燥剂、防雾涂料、透气膜等。应用以上方案不得不面对的问题就是成本增加。我们通过一系列的研究，找到了更好的解决方案，为未来的前照灯设计提供了最有效的解决方案。

1)原始灯具

最初的灯具模型是一个典型的卤素灯。它使用两个卤素光源(在这个测试中使用的是H7)用于BMC反射器工作的远光灯和近光灯。得灯具结构十分紧凑，导致空气通道狭窄。在灯具腔体的顶部设置了透气膜，用以帮助空气扩散，因为这一部分是最有可能出现凝结现象的。

图5原始灯具

2)方案1:原始灯具+管道

在方案1灯具模型中，将额外的管道设置在腔体的中心区域，该区域与原始灯具顶部的透气膜有一定距离。额外的管道与顶部的透气膜共同作用可以加速空气流动，使水蒸气从内部流出。

图6方案1灯具

3)方案2:原始灯具+膜

在方案2中，前照灯模型与方案1类似，只是在相同位置增加了额外的透气膜来替代管道。

图7方案2灯具

4)方案3:原始灯具+干燥剂

在方案3灯具模型中，将一种干燥剂粘附在壳体的内表面，位置在原始灯具的中心区域附近，靠近光源。

图8方案3灯具

5)方案4:原始灯具+顶部开孔

根据以上内部气流分析，方案4灯具模型顶部边框上打了8孔(孔的尺寸约为8mm*5mm)，该区域使冷凝形成的最关键的区域。顶部边框上的开孔是为了加速内部空气从透镜向灯具后部的流动，然后通过现有的膜与外部环境的空气流动。这个方案的问题是不美观，顶部边框的开孔很明显。

图9方案4灯具

6)方案5:原始灯具+底部开孔

提案5灯的边框上设置了与方案4类似的孔，但是开孔位于底部区域。提出这个方案的目的是为了解决方案4的美观问题。虽然底部的开孔并不是在最关键的区域，但可以通过现有的膜来加速内腔区域与外部环境之间的空气流动。

图10方案5灯具

7)方案6:原始灯具+防雾涂层

为了防止水汽在灯具上凝结，在透镜外的内表面涂上防雾涂层。

图11方案6灯具

试验结束后，每个方案中的灯具分别在0分钟、10分钟、20分钟、30分钟、90分钟、6小时、24小时标记冷凝轮廓。然后利用CAD仿真计算该表面的凝结面积，最后通过分割整个透镜表面来计算凝结面积比率。解凝速度如下表所示。

表1解凝速度

图12冷凝面积变化曲线

从以上图表得出以下结论：

a.所有方案的解凝性能均优于原始灯具(红色曲线)。该结果符合前面的理论分析，更有效的空气流动或除湿可以降低灯具内部的露点温度，冷凝面积会比原始灯具下降的更快。

b.方案2、3采用额外的外部通风系统不能明显改善冷凝现象，但方案4、5通过开更多的孔来改善冷凝的效果更好。即内部组件的通道相较于外部通道可以更有效的防止凝结。

c.方案3加一种干燥剂后的解凝效果与方案4、5相似。干燥剂可以吸收部分水蒸气，改善内部水汽状况，使露点温度随内部气的流动下降到同一水平。

d.在测试结果中，防雾涂层的解凝性能最好。防雾处理通常是通过涂覆表面活性剂薄膜或改变表面亲水性来实现。

表2防冷凝方案总结

卤素前照灯的设计除了要考虑冷凝性能外，还需要考虑成本、使用性能。以下几个问题需要进一步研究。

a.内部开孔有利于内部空气流动，但通常会影响灯具外观，如方案4。因此，如何设计出最佳的内部通道是目前面临的挑战。这一建议的优点是，它将是最有效的解决冷凝问题。

b.内部开孔在测试时结果比透气膜/通气管道好，但其基于一些特殊的条件，如内部造型约束。方案1、3、4、5的结合可能会更好的改善冷凝。这也需要进一步的研究。

c.干燥剂是应对措施之一，但一个物理干燥剂不能工作多年，其可以使用1~2年甚至更短。提高干燥剂的使用寿命是干燥剂供应商研究的方向。寻找适合客户更换的干燥剂附着策略是干燥剂供应商研究的另一个思路。从成本方面看，其保持在中等水平，是比较可观的。

d.防雾涂层使用寿命比干燥剂长，但仍不能保证使用10年。在最坏的情况下，其寿命只有几个月。客户在购买新车1~2年后可能会发现冷凝现象，冷凝现象甚至比没有防雾涂层的灯具更严重。并且它的高成本较高。因此，提高防雾涂料的使用寿命和降低成本是其供应商的重要任务。

根据冷凝理论知识和不同方案的物理试验结果，可以对冷凝进行改进和预防。但是依然存在有很多阻碍和挑战，比如样式、组件的生命周期和成本。卤素前照灯在未来几年仍将占据较大的市场份额，整车厂和照明供应商需投入更多，为客户解决冷凝问题。

文章转载自IFAL公众号