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【关键词】成本低;易维护;气密性;防尘
【中图分类号】U453.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）08-0025-03
1 技术领域
本设计方案属于隧道照明技术领域，涉及一种小功率LED隧道灯概念。
2 技术背景
随着近几年来国家对“新基建”的鼓励力度加大，全国各地陆续拉开了“新基建”大幕。城际高速铁路和城市轨道交通作为“新基建”的七大领域之一，自然在全国各地如火如荼地进行。作为“基建狂魔”的中国，自然是遇山开山、遇水架桥。广西总体为山地丘陵地貌，高铁想要穿越广西，必将是隧道纵横[1]。
随着隧道的不断增加，隧道内的照明灯具需求量也不断增加。隧道内的环境特殊，所以对隧道内的照明灯具也有特殊的要求。首先，隧道内阴暗潮湿，灯具不仅要能满足道路照明的照度要求，还要有优异的防水防潮性能。其次，隧道内有各种汽车排放的尾气及油气，加上路面粉尘飞扬，极易堆积在灯具上，影响灯具光效及散热性能，这就需要隧道灯具散热性能要好，而且要有良好的耐腐蚀及防尘能力。最后，隧道灯具需24 h亮灯，并且隧道灯具又不能和其他户外灯具一样可以不定期地得到雨水的冲洗，这就需要隧道灯具的使用寿命要长且日常清洗、维护方便[2]。
我国中长期规划的十大节能课题中，绿色照明就是其中之一。LED光源为全固体光源，具有体积小、耗电量少、使用寿命长、无污染、可回收等优势，必将取代传统光源。LED隧道灯必将取代传统的高压钠灯，达到节能、减排、环保的目的[3]。
隧道内部与外部光环境相差很大，在隧道两端出入口很容易产生黑洞或白洞等效应，所以出入口及过渡段照明灯具会选择功率较大的，而中间段则会选择小功率灯具。隧道越长，所需的小功率灯具就越多。所以，如何做好一款小功率LED隧道灯一直是个值得长期研究的课题。
3 设计方案内容
3.1 设计思路
小功率LED隧道灯的设计思路与一般的LED灯基本原理相同（如图1所示）。220 V交流电通入隧道灯后，隧道灯携带的电源将其转化为灯具所需的直流电，直流电通过灯板上的发光二极管，将电能转化为光能，转化出的光再通过光学透镜进行二次配光，让其变为能够满足隧道照明需求的光。
设计思路明确后，我们就可根据LED隧道灯的各个组成部分进行设计。首先是光学部分，可根据《隧道通风与照明标准》及隧道的实际情况，如车道、车速、车流量等因素，再利用光学软件模拟出所需灯具的功率大小及透镜发光角度[4]。其次是电子部分，根据光学模拟出来的功率大小及透镜规格，选择合适的驱动电源，根据发光二极管的数量及分布设计PCB板。再次是结构部分的设计，包括散热器、“U”形支架、灯具安装及包装。最后是进行气密性测试，保证所设计的产品达100%合格率。
3.2 小功率隧道灯
3.2.1 灯珠及透镜的选择
假设通过光学模拟出来的结果是需要功率为30 W的隧道灯，那么我们就可选用“飞利浦”流明3030中功率灯珠，单颗功率为0.85 W，光效可达120～140 lm/W，色溫选择在3 000～40 00 K范围，显色指数≥80.30 W，隧道灯共需要35颗灯珠。透镜采用130×72°偏光类组合透镜，能满足隧道路面的配光要求，材质选用具有高透明度的PMMA，非常适合隧道照明使用。但通常这类透镜表面都是呈花生米状凸起的，特别容易积灰尘，并且不易清理维护，影响整灯的光通量。所以，此次设计增加了一个平面透光罩，用来解决灯具防水防尘问题，在平面的透光罩上，粉尘不易堆积，从而让灯具达到易清理维护的目的（如图2所示）。
3.2.2 PCB板设计及电源选择
根据前面灯珠透镜的选择，首先可以确定好PCB板尺寸及发光二极管的发布位置。35颗灯珠可设计成5串7并的方式，一颗3030灯珠工作电压为6 V，这样一来，这盏30 W隧道灯的工作电压就是5×6=30 V。根据灯具功率及工作电压和电流选择一款合适的电源，笔者选择的是30 W防护等级为IP67的户外恒流电源。正常情况下，电源功率不应低于灯具功率，否则影响电源使用寿命。其他功能可根据自己的需求选择，如调光功能、关断功能、相关认证情况及电源品牌等。
3.2.3 散热器设计
设计前期，我们通常是按表面积计算散热器的散热能力。1 W所需的6063铝型材散热面积在4 000～6 000 mm2，所以30 W隧道灯散热器的表面积应≥120 000 mm2。为了降低散热器成本，要思考如何用最少的材料满足表面积≥120 000 mm2的要求。为了降低整灯的结构成本，在设计散热器时，还需考虑电源及“U”形支架的安装问题。同时，需考虑灯具的美观及方便检测等问题。待整个产品设计完成后，再用热仿真软件进行散热器的散热模拟，根据模拟出来的温度及热量分布情况，对散热片高度及间距进行调整，让散热器的性能达到最优。综合各个因素，设计出的散热器如图3所示[5]。
散热鳍片减薄且表面设计成波浪纹，降低材料成本的同时还能增大表面积。散热鳍片不能过高，过高则热量传不上去，对散热不利，散热鳍片间距也不能过密，太密会影响空气对流，散热效果不好。散热器两侧设计有“U”形支架安装壁，用来安装支架。散热器背面设计有高于散热鳍片的“T”形平台，用于安装驱动电源，省掉了额外的电源支架，也让电源与散热器间有一定的间隔，以免热量相互影响。散热器正面设计有两个凸台，用于紧固PCB板及透镜。散热器尺寸比例为81.5∶132≈0.618黄金比例。散热器设计有管状圆孔，用于藏线及进行气密性检测。散热器表面进行阳极氧化处理，增强其散热能力及抗腐蚀能力。
3.2.4 “ U ”形支架设计
“U”形支架作为连接隧道灯与隧道壁之间的桥梁，它要满足的条件就是承重能力强、抗腐蚀性好、可调节灯具角度及便于安装。 （1）承重能力。我们通常会根据“U”形支架材质及厚度的选择、灯具的重量、承压面积和安全系数等一系列因素，通过灯具静载荷计算公式计算出其是否满足要求。
（2）抗腐蚀性。为保证其抗腐蚀能力，常用的做法就是先将“U”形支架表面进行热浸锌，再喷一层指定颜色的户外塑粉，完成后进行盐雾测试合格。
（3）可调节灯具角度。灯具使用环境不一样，有时是单侧布灯，有时是双侧布灯，所以要求灯具必须可调角度。灯体比较重的灯具，我们一般采用螺孔限位的方式防止灯具因车辆经过振动而发生角度改变。此次设计的小功率隧道灯，重量仅为1 kg，所以可采用无极调节方式，或通过直接在“U”形支架与散热器之间增加外齿垫圈加大摩擦即可。
（4）便于安装。“U”形支架安装面上开有矩形孔，与工程预埋件进行配合，达到方便安装的目的。
3.3 小功率隧道灯的安装
根据隧道灯安装施工顺序及为了让隧道灯安装更方便，通常我们会设计一块工程预埋件，施工前预先用膨胀螺栓将它固定在隧道壁上，然后将隧道灯挂在工程预埋件上，用手拧紧碟形螺栓即可（如图4所示）。这种安装方式不需要使用任何工具，安装效率高。
3.4 小功率隧道灯的包装运输
考虑降低包装运输成本、搬运方便等因素，此次设计的小功率隧道灯采用一箱装10盏的方式，内部采用珍珠棉作为缓冲材料，外部采用5层瓦楞纸箱包装（如图5所示）。为了验证包装的可靠性，我们通常会进行运输振动测试和跌落测试。
3.5 小功率隧道灯气密性测试
漏水一直是户外灯具常见的问题，为了保证产品出厂合格率达100%，此次设计的小功率隧道灯具有气密性检测功能，具体实施步骤如下：首先，将灯具上的防水透气阀取下，换上纯铜气嘴。其次，用带有调压阀的气动吹尘枪往气嘴里充气（注意调压阀压力调至0.15 MPa左右），氣体聚集在灯具密闭腔里，形成一定气压。最后，将充好气的隧道灯完全泡入水中，无气泡冒出为合格。有气泡则不合格，根据气泡冒出的位置，及时发现问题所在，常见的不良问题有螺钉未紧固、漏装防水胶圈、散热器平面度超差、灯板螺丝孔钻穿等，产品在入库前及时发现并解决问题，保证产品达100%的合格率，能有效地降低售后维护成本（如图6所示）。
4 总结
此次设计的产品为一款小功率隧道灯，采用6063铝型材作为散热主体，散热性能好，开发成本低。整体灯具体积小，重量轻，包装、存储、运输方便，安装维护便捷高效，利用极简的结构设计满足了隧道里特殊环境下的较高要求。并且，通过独特的气密性检测方法，保证产品合格率达100%，有效地降低售后成本。此设计方案为LED隧道灯新产品及其他LED灯具在防水防尘及安装运输等方面提供了思路。
参 考 文 献
[1]石梦.新基建对经济发展的作用探讨[J].中国集体经济，2021（3）：19-20.
[2]张震.浅谈高速公路隧道照明[J].信息周刊，2020（10）：
398，400.
[3]肖少宁，王毅，陈磊，等.浅析LED灯具在隧道照明系统中的应用[J].公路交通科技，2018（3）：243-245.
[4]刘德强，郑威，黄耀伟，等.浅析隧道照明时设计及LED隧道灯配光设计[J].照明工程学报，2009（S1）：53-58.
[5]冯巧波，朱瑞，唐国安，等.热沉对LED灯具散热性能的影响[J].照明工程学报，2014（3）：80-83，97.
【中图分类号】U453.7 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）08-0025-03
1 技术领域
本设计方案属于隧道照明技术领域，涉及一种小功率LED隧道灯概念。
2 技术背景
随着近几年来国家对“新基建”的鼓励力度加大，全国各地陆续拉开了“新基建”大幕。城际高速铁路和城市轨道交通作为“新基建”的七大领域之一，自然在全国各地如火如荼地进行。作为“基建狂魔”的中国，自然是遇山开山、遇水架桥。广西总体为山地丘陵地貌，高铁想要穿越广西，必将是隧道纵横[1]。
随着隧道的不断增加，隧道内的照明灯具需求量也不断增加。隧道内的环境特殊，所以对隧道内的照明灯具也有特殊的要求。首先，隧道内阴暗潮湿，灯具不仅要能满足道路照明的照度要求，还要有优异的防水防潮性能。其次，隧道内有各种汽车排放的尾气及油气，加上路面粉尘飞扬，极易堆积在灯具上，影响灯具光效及散热性能，这就需要隧道灯具散热性能要好，而且要有良好的耐腐蚀及防尘能力。最后，隧道灯具需24 h亮灯，并且隧道灯具又不能和其他户外灯具一样可以不定期地得到雨水的冲洗，这就需要隧道灯具的使用寿命要长且日常清洗、维护方便[2]。
我国中长期规划的十大节能课题中，绿色照明就是其中之一。LED光源为全固体光源，具有体积小、耗电量少、使用寿命长、无污染、可回收等优势，必将取代传统光源。LED隧道灯必将取代传统的高压钠灯，达到节能、减排、环保的目的[3]。
隧道内部与外部光环境相差很大，在隧道两端出入口很容易产生黑洞或白洞等效应，所以出入口及过渡段照明灯具会选择功率较大的，而中间段则会选择小功率灯具。隧道越长，所需的小功率灯具就越多。所以，如何做好一款小功率LED隧道灯一直是个值得长期研究的课题。
3 设计方案内容
3.1 设计思路
小功率LED隧道灯的设计思路与一般的LED灯基本原理相同（如图1所示）。220 V交流电通入隧道灯后，隧道灯携带的电源将其转化为灯具所需的直流电，直流电通过灯板上的发光二极管，将电能转化为光能，转化出的光再通过光学透镜进行二次配光，让其变为能够满足隧道照明需求的光。
设计思路明确后，我们就可根据LED隧道灯的各个组成部分进行设计。首先是光学部分，可根据《隧道通风与照明标准》及隧道的实际情况，如车道、车速、车流量等因素，再利用光学软件模拟出所需灯具的功率大小及透镜发光角度[4]。其次是电子部分，根据光学模拟出来的功率大小及透镜规格，选择合适的驱动电源，根据发光二极管的数量及分布设计PCB板。再次是结构部分的设计，包括散热器、“U”形支架、灯具安装及包装。最后是进行气密性测试，保证所设计的产品达100%合格率。
3.2 小功率隧道灯
3.2.1 灯珠及透镜的选择
假设通过光学模拟出来的结果是需要功率为30 W的隧道灯，那么我们就可选用“飞利浦”流明3030中功率灯珠，单颗功率为0.85 W，光效可达120～140 lm/W，色溫选择在3 000～40 00 K范围，显色指数≥80.30 W，隧道灯共需要35颗灯珠。透镜采用130×72°偏光类组合透镜，能满足隧道路面的配光要求，材质选用具有高透明度的PMMA，非常适合隧道照明使用。但通常这类透镜表面都是呈花生米状凸起的，特别容易积灰尘，并且不易清理维护，影响整灯的光通量。所以，此次设计增加了一个平面透光罩，用来解决灯具防水防尘问题，在平面的透光罩上，粉尘不易堆积，从而让灯具达到易清理维护的目的（如图2所示）。
3.2.2 PCB板设计及电源选择
根据前面灯珠透镜的选择，首先可以确定好PCB板尺寸及发光二极管的发布位置。35颗灯珠可设计成5串7并的方式，一颗3030灯珠工作电压为6 V，这样一来，这盏30 W隧道灯的工作电压就是5×6=30 V。根据灯具功率及工作电压和电流选择一款合适的电源，笔者选择的是30 W防护等级为IP67的户外恒流电源。正常情况下，电源功率不应低于灯具功率，否则影响电源使用寿命。其他功能可根据自己的需求选择，如调光功能、关断功能、相关认证情况及电源品牌等。
3.2.3 散热器设计
设计前期，我们通常是按表面积计算散热器的散热能力。1 W所需的6063铝型材散热面积在4 000～6 000 mm2，所以30 W隧道灯散热器的表面积应≥120 000 mm2。为了降低散热器成本，要思考如何用最少的材料满足表面积≥120 000 mm2的要求。为了降低整灯的结构成本，在设计散热器时，还需考虑电源及“U”形支架的安装问题。同时，需考虑灯具的美观及方便检测等问题。待整个产品设计完成后，再用热仿真软件进行散热器的散热模拟，根据模拟出来的温度及热量分布情况，对散热片高度及间距进行调整，让散热器的性能达到最优。综合各个因素，设计出的散热器如图3所示[5]。
散热鳍片减薄且表面设计成波浪纹，降低材料成本的同时还能增大表面积。散热鳍片不能过高，过高则热量传不上去，对散热不利，散热鳍片间距也不能过密，太密会影响空气对流，散热效果不好。散热器两侧设计有“U”形支架安装壁，用来安装支架。散热器背面设计有高于散热鳍片的“T”形平台，用于安装驱动电源，省掉了额外的电源支架，也让电源与散热器间有一定的间隔，以免热量相互影响。散热器正面设计有两个凸台，用于紧固PCB板及透镜。散热器尺寸比例为81.5∶132≈0.618黄金比例。散热器设计有管状圆孔，用于藏线及进行气密性检测。散热器表面进行阳极氧化处理，增强其散热能力及抗腐蚀能力。
3.2.4 “ U ”形支架设计
“U”形支架作为连接隧道灯与隧道壁之间的桥梁，它要满足的条件就是承重能力强、抗腐蚀性好、可调节灯具角度及便于安装。 （1）承重能力。我们通常会根据“U”形支架材质及厚度的选择、灯具的重量、承压面积和安全系数等一系列因素，通过灯具静载荷计算公式计算出其是否满足要求。
（2）抗腐蚀性。为保证其抗腐蚀能力，常用的做法就是先将“U”形支架表面进行热浸锌，再喷一层指定颜色的户外塑粉，完成后进行盐雾测试合格。
（3）可调节灯具角度。灯具使用环境不一样，有时是单侧布灯，有时是双侧布灯，所以要求灯具必须可调角度。灯体比较重的灯具，我们一般采用螺孔限位的方式防止灯具因车辆经过振动而发生角度改变。此次设计的小功率隧道灯，重量仅为1 kg，所以可采用无极调节方式，或通过直接在“U”形支架与散热器之间增加外齿垫圈加大摩擦即可。
（4）便于安装。“U”形支架安装面上开有矩形孔，与工程预埋件进行配合，达到方便安装的目的。
3.3 小功率隧道灯的安装
根据隧道灯安装施工顺序及为了让隧道灯安装更方便，通常我们会设计一块工程预埋件，施工前预先用膨胀螺栓将它固定在隧道壁上，然后将隧道灯挂在工程预埋件上，用手拧紧碟形螺栓即可（如图4所示）。这种安装方式不需要使用任何工具，安装效率高。
3.4 小功率隧道灯的包装运输
考虑降低包装运输成本、搬运方便等因素，此次设计的小功率隧道灯采用一箱装10盏的方式，内部采用珍珠棉作为缓冲材料，外部采用5层瓦楞纸箱包装（如图5所示）。为了验证包装的可靠性，我们通常会进行运输振动测试和跌落测试。
3.5 小功率隧道灯气密性测试
漏水一直是户外灯具常见的问题，为了保证产品出厂合格率达100%，此次设计的小功率隧道灯具有气密性检测功能，具体实施步骤如下：首先，将灯具上的防水透气阀取下，换上纯铜气嘴。其次，用带有调压阀的气动吹尘枪往气嘴里充气（注意调压阀压力调至0.15 MPa左右），氣体聚集在灯具密闭腔里，形成一定气压。最后，将充好气的隧道灯完全泡入水中，无气泡冒出为合格。有气泡则不合格，根据气泡冒出的位置，及时发现问题所在，常见的不良问题有螺钉未紧固、漏装防水胶圈、散热器平面度超差、灯板螺丝孔钻穿等，产品在入库前及时发现并解决问题，保证产品达100%的合格率，能有效地降低售后维护成本（如图6所示）。
4 总结
此次设计的产品为一款小功率隧道灯，采用6063铝型材作为散热主体，散热性能好，开发成本低。整体灯具体积小，重量轻，包装、存储、运输方便，安装维护便捷高效，利用极简的结构设计满足了隧道里特殊环境下的较高要求。并且，通过独特的气密性检测方法，保证产品合格率达100%，有效地降低售后成本。此设计方案为LED隧道灯新产品及其他LED灯具在防水防尘及安装运输等方面提供了思路。
参 考 文 献
[1]石梦.新基建对经济发展的作用探讨[J].中国集体经济，2021（3）：19-20.
[2]张震.浅谈高速公路隧道照明[J].信息周刊，2020（10）：
398，400.
[3]肖少宁，王毅，陈磊，等.浅析LED灯具在隧道照明系统中的应用[J].公路交通科技，2018（3）：243-245.
[4]刘德强，郑威，黄耀伟，等.浅析隧道照明时设计及LED隧道灯配光设计[J].照明工程学报，2009（S1）：53-58.
[5]冯巧波，朱瑞，唐国安，等.热沉对LED灯具散热性能的影响[J].照明工程学报，2014（3）：80-83，97.