Belüftungslösungen verlängern Lebensdauer von LED-Außenleuchten

Belüftungsmembranen verlängern die Lebensdauer von LED-Leuchten signifikant, was Gore mit einer Langzeitstudie belegt.Gore

LED-Leuchten überdauern bis zu 100.000 Betriebsstunden, sind äußerst zuverlässig und umweltfreundlich. Damit sie diese Stärken ausspielen können, müssen LED-Leuchten beim Einsatz im Außenbereich vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit, geschützt werden.

Um den Druckausgleich im Leuchtengehäuse sicherzustellen und gleichzeitig den Schutz vor Wasser und Verschmutzung zu gewährleisten, bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Labyrinthdichtungen kommen nicht in Betracht, da sie durchlässig sind. Robustere Dichtungen, zusätzliche Gehäuseschrauben, dickere Gehäuse oder Vergusswerkstoffe können die Gehäuse zwar hermetisch abschotten, sind allerdings extrem teuer und steigern zusätzlich das Gewicht. Da durch alle Kunststoffe auch Wasserdampf diffundiert, würde diese hermetische Abdichtung auch zwingend ein Metallgehäuse erfordern. Zudem würde in vollständig versiegelten Gehäusen ein Unterdruck entstehen, wodurch sie nur noch schwer zu öffnen wären. Alternative Lösungen aus Filz oder gesintertem Material sorgen zwar für den Luftdruckausgleich, können aber durch Wasser und Schmutz verstopfen. Ein mechanisches Ventil funktioniert nur in eine Richtung und kann somit keinen beidseitigen Druckausgleich gewährleisten.

Druckverlauf bei einem belüfteten und einem unbelüfteten Gehäuse.Gore

Ursachen von Luftdruckschwankungen

Bei direkter Sonneneinstrahlung heizt sich die Luft im Inneren der LED-Leuchte stark auf und der damit entstehende Überdruck belastet die Dichtungen von innen nach außen. Sobald die Temperatur wieder sinkt, erzeugt der Luftdruckabfall beim Abkühlen ein Vakuum und saugt die Dichtung wieder nach innen. So genügt beispielsweise der Temperatursturz bei einem Gewitter an einem heißen Sommertag, um innerhalb einer LED-Leuchte einen Unterdruck von bis zu 150 mbar zu erzeugen. Sogar das Ein- und Ausschalten der Leuchte verursacht bereits Temperaturunterschiede, die die Dichtungen auf Dauer erheblichen Belastungen aussetzen können. Ein thermischer Schock, der eintreten kann, wenn eine kalte Leuchte mittels heißem Dampfstrahl abgewaschen wird oder Schnee auf eine brennende Leuchte fällt, verursacht einen rapiden Luftdruckwechsel. So hat ein Temperaturunterschied von 30 °C etwa zehn Prozent Luftvolumenstrom zur Folge.

Langzeitstudie zu Luftdruckunterschieden in elektronischen Gehäusen.Gore

Auch der internationale Warenverkehr per Luftfracht birgt Risiken, denn der Luftdruck im Flugzeug beträgt etwa 1000 mbar am Boden und in der Kabine während des Flugs 800 bis 850 mbar. Bei einem Transport von einer weit entfernten Produktionsstätte zum Bestimmungsort, manchmal sogar mit mehreren Zwischenstopps, sind die Leuchten erheblichen Druckschwankungen ausgesetzt, noch bevor sie erstmals in Betrieb genommen werden. Bei LEDs mit beschädigten Dichtungen kann der Eintritt von Wasser nicht nur zu Funktionsstörungen der Elektronik, sondern auch zu Kondensation auf Scheibe und Reflektoren führen. Dies beeinträchtigt generell die Lichtqualität und Ästhetik von Leuchten, so auch bei LEDs.

Langzeitstudie zeigt Bedeutung von Druckausgleich

Langzeitstudie zu Luftdruckunterschieden in elektronischen Gehäusen.Gore

Wie wichtig der Druckausgleich durch ein Belüftungssystem für die einwandfreie Funktion von Dichtungen und somit für die Lebensdauer einer LED-Leuchte ist, hat eine Langzeitstudie gezeigt. Der über fünf Jahre laufende Test wurde auf freiem Feld in der Nähe von München durchgeführt. Von fünf identischen Polycarbonat-Gehäusen mit Schutzart IP65 mit Neoprendichtungen besaßen zwei Stück keine Belüftungselemente. In weiteren zwei Gehäusen wurde je ein Belüftungselement integriert – eines oben am Gehäuse, eines seitlich. Das letzte Gehäuse wurde mit zwei seitlich verbauten Belüftungssystemen ausgestattet.

Im Inneren der Gehäuse installierte Sensoren erfassten im Abstand von zehn Minuten den vorherrschenden Luftdruck über den gesamten Zeitraum. Die Auswertung der Daten nach fünf Jahren zeichnete ein deutliches Bild: In den Gehäusen ohne Belüftung schwankte der Luftdruck in einer Bandbreite zwischen -150 mbar bis zu 147 mbar. Die Belüftungselemente hingegen sorgten für minimale Druckschwankungen im Inneren der Gehäuse. Bei der Anordnung mit jeweils einem Belüftungssystem ergab sich eine maximale Schwankung von -40 mbar bis 41 mbar – eine Druckdifferenz, der die Dichtungen problemlos standhalten. In dem Gehäuse, das mit zwei Belüftungen versehen war, betrug der Unterschied über den Fünfjahreszeitraum lediglich -4 bis 4 mbar.

Deutlich längere Lebensdauer

Eine anschließende Untersuchung zeigte, welch enormen Einfluss der Druckausgleich auf die Haltbarkeit des Dichtungsmaterials hat. Die Dichtungen der belüfteten Gehäuse wurden durch den raschen Druckausgleich kaum belastet und waren somit nach Ablauf der fünf Jahre noch intakt. Zudem gab es im Gehäuse keine sichtbare Kondensation und keine Zeichen von Wasser oder Schmutz im Bereich der Dichtungen sowie der Anschlussstelle des Stromkabels. Bei den Gehäusen ohne Belüftungssystem sorgten die großen Druckunterschiede für eine hohe Belastung der Dichtungen. So wies die starke Kondensation im Inneren der Gehäuse darauf hin, dass die Dichtungen bereits vor Ablauf der Fünfjahresfrist nicht mehr voll funktionsfähig waren. Dadurch konnten Wasser und Schmutz eindringen. Schließlich wurden auch die Belüftungssysteme gründlich getestet: Sie waren nach fünf Jahren im Außeneinsatz noch voll funktionsfähig.

Außenleuchte mit Kondensation.Gore

Belüftungselement aus ePTFE

Das Ergebnis der Studie hat eindrucksvoll nachgewiesen, dass ein hochwertiges Belüftungselement die Lebensdauer von Dichtungen und damit die Haltbarkeit der gesamten LED-Leuchte deutlich verlängert. Das in der Studie eingesetzte Belüftungselement von Gore enthält eine in beide Richtungen durchlässige Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE), die einen kontinuierlichen Luftdruckausgleich im Leuchtengehäuse gewährleistet. Die Mikrostruktur von ePTFE aus Fibrillen, Knoten und Poren ist offen genug, um Gasmoleküle und Dampf durchzulassen, aber so fein, dass sie Flüssigkeiten und andere Kleinstpartikel abhält. Schmutz und Wasser können damit nicht eindringen. Zusätzlich kann die Membran ölabweisend beschichtet werden.

Doch nicht nur der konstante Luftdruck im Gehäuse ist für eine lange Lebensdauer von LED-Leuchten wichtig. So schädigen auch Schwefelwasserstoffe, die von preiswerten EPDM-Dichtungen, schwefelvernetztem NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) oder anderen schwefelenthaltenden Komponenten abgegeben werden, die Bestandteile der Leuchte. Die versilberten Leadframes können korrodieren und dabei die elektrischen Verbindungen zu den Wire-Bonden oder Die-Bonden verschlechtern. Diese Gefahr besteht nicht, wenn der Schwefelwasserstoff über das Belüftungssystem ausgasen kann.

Relative Luftfeuchtigkeit bei einem belüfteten und einem unbelüfteten Gehäuse.Gore

Um den positiven Effekt einer ePFTE-Belüftung in der Praxis nachzuweisen, wurde ein ausführlicher Vergleichstest mit zwei identischen handelsüblichen LED-Leuchten durchgeführt: eine mit, eine ohne Belüftung. Bei diesem Test wurde das Belüftungselement so ausgelegt, dass eine maximale Druckdifferenz von ±0,34 mbar entstand. Dies stellt sicher, dass die Dichtung nicht durch andauernde Über- beziehungsweise Unterdrücke beschädigt wird. Obwohl das An- und Abschalten in beiden Leuchten Temperaturunterschiede erzeugt, ist der Druck auf die Dichtungen sehr unterschiedlich: Bei der abgedichteten Leuchte betrug der Druck nach dem Anschalten 6,2 mbar und nach dem Ausschalten -6,9 mbar. Bei der belüfteten Leuchte waren es nur ±0,69 mbar. Die Druckunterschiede haben direkten Einfluss auf die Luftfeuchtigkeit und damit auf die Entstehung von Kondenswasser im Inneren der Leuchte. So zeigt sich bei einem über einen Monat andauernden Außentest bei einer LED-Leuchte ohne Belüftung, dass die relative Luftfeuchtigkeit fast kontinuierlich 100 Prozent beträgt, was ganz deutlich auf Kondensation hinweist. Bei der belüfteten Leuchte hingegen stieg die relative Luftfeuchtigkeit nie über 80 Prozent, da die Feuchte durch das Belüftungselement entkommen konnte. Dadurch entstand auch keine Kondensation.

(ah)