工业用LED防爆灯开发设计的难度

导读：通过对固态LED冷光源防爆灯散热、水气和紫外线考验的探讨，结合测试案例中的发现，提醒LED防爆灯生产厂家必须投入更多关注在这些安全挑战，才有机会取得竞争地位。

　　发光二极管（LED）稳坐次世代光源主流宝座已无庸置疑，LED在照明除能取代原有照明光源，更有机会发展广泛多元的创新应用，但亦同时伴随在模组、电源设计、安装场所与散热、寿命等必须克服的新挑战。面对LED在工业防爆照明领域应用的无限曙光，本文将分享在众多测试案例中的发现，提醒业者必须投入更多的关注在这些安全挑战，才有机会取得竞争地位。

　　一、高功率LED防爆灯具散热挑战重重

　　随着固态LED封装技术改进，LED业者亟欲突破亮度障碍，取代高亮度的高强度放电灯源（HID）或白炽灯。

　　LED防爆灯虽然具有冷光与相对高效率的优势，但与一般传统光源的光热传导途径比较之下，白炽灯的热产生在光传递路径上；防爆灯LED光源的热则集中在于光传递路径的反侧，在能量守恒定律下，LED的散热设计逐渐变为不可忽视的问题。

　　举例来说，LED防爆灯虽然仅须约60%的耗电量就能够得到与传统光源防爆灯相同的亮度，但在使用过程中，LED防爆灯80%的能量却是转换为灯具内部的热源，长久积聚不散的热，将会造成以下几点重要问题：

　　1、LED光效率降低

　　LED的光来自于半导体中，电子电洞结合过程所产生的光能，因此当周围环境温度升高时，电子与电洞的结构容易因为原子本身的震动增加，而受到阻碍或是破坏，因此会造成防爆灯LED光强度的降低。

　　2、绝缘的破坏

　　当LED防爆灯具因散热设计不佳而造成环境温度上升时，作为安全最后一道防线的绝缘聚合物材料，亦受到热劣化的挑战。

　　一般具有热塑性的聚合物材料，并非处于完全聚合的情况，高温与湿气的环境会促进聚合反应产生逆向反应（也就是裂解）的进行，除会产生变形外，也会产生特性的变化，甚至会产生氧化的问题，绝缘特性也因此受到破坏。

　　以上例来说，在无散热的情况下，100瓦的热积聚，在一小时内就能够将一公升的水加热至近100度，因此高功率LED防爆灯具的挑战，不仅在于将热由LED光源移出，也必须要从防爆灯移出，否则长期使用后，不仅是照明效率会下降，灯具本身也是安全堪虑。

　　二、室外工业用LED防爆灯具的水气与紫外线考验加剧

      安装在室外的LED防爆照明灯具，相对于室内用防爆灯具，散热环境虽然相对较好，但是水气与紫外线的影响却是额外的考验。

　　1、水气造成的LED防爆灯功能危害

　　水气的积聚，对电子产品功能最大的问题就是造成电路短路与产品生锈。虽然纯水导电度低，但只要加上电解质，导电度就会上升，容易造成短路现象。刚开始短路现象会随水受热蒸发而停止，长久下来，累积在导体上的电解质加上通电时的热作用，就可能破坏绝缘材料，导致永久的短路现象或是回路的锈蚀。

　　裸露的金属材料如焊点或螺丝、端子也会受到水气的影响产生生锈的情况。一旦发生锈蚀，电阻会提高，或者膨胀的导体也可能彼此连接产生短路，造成安全的危险；另外有些聚合物材料是透过脱水聚合而成，水气的存在会促使聚合物分解反应的进行，造成聚合物材料的破坏。

　　2、紫外线对防爆灯外壳材料的破坏

　　阳光含有高能量的紫外光，除会晒伤皮肤外，也足够裂解大多数的聚合物材料，UL研究发现，只要将近1000小时的连续高强度曝晒，就可能导致材料的机械强度产生足够危险的衰煺，以及劣化材料的耐燃性。

　　大多数LED防爆灯设计都是希望通过密封而达到防水的目的，然而，除一体成型的密封外，大多数组装式的密封都会因为持续的热涨冷缩，导致水气因而藉由毛细现象能够渗入到防爆灯壳体内部，逐渐累积，因此若能采用耐水性的电路材质，加上排水、通风与干燥的设计，才可防止因为水气累积所造成的问题。

扩展阅读：

1、至于长久浸泡于水中的灯具，因受到环境温度变化较小，加上水压的帮助，同时可减少紫外线的吸收，密封较易达成，只要采用对水气不敏感的聚合物材料与金属材质，反而相对比较容易维持低水气的状态。

2、采用LED为光源的固态强光防爆头灯和多功能巡检防爆手电筒均需考虑散热和防水等问题。