Feuchtigkeit in Autoscheinwerfern rührt von drei Hauptquellen her (Bild 1). Die erste Ursache ist Feuchtigkeit, die sich im Kunststoff des Scheinwerfergehäuses abgelagert hat und sich bei Ansteigen der Temperatur (zum Beispiel beim Einschalten der Lichtquelle) herauslöst; diesen Prozess nennt man Desorption. Die zweite Ursache ist die Permeation, bei der Wasserdampf über einen längeren Zeitraum kontinuierlich durch den Kunststoff von außen in den Scheinwerfer eindringt, und die dritte Ursache ist Feuchtigkeit, die über die Belüftungsöffnung in das Gehäuse eindringt.

Bild 1: Feuchtigkeit in Scheinwerfern hat drei mögliche Ursachen: Desorption, Permeation sowie Luftaustausch und Diffusion durch die Belüftungsöffnung

Bild 1: Feuchtigkeit in Scheinwerfern hat drei mögliche Ursachen: Desorption, Permeation sowie Luftaustausch und Diffusion durch die BelüftungsöffnungGore

Desorption und Permeation

Die häufigste Ursache für Feuchtigkeit in Scheinwerfergehäusen ist die Desorption. Dieser Prozess wird durch Temperaturunterschiede ausgelöst. Beim Abschalten der Lichtquelle sinkt die Temperatur und der Kunststoff, aus dem der Scheinwerfer besteht, saugt die Feuchtigkeit in der Umgebungsluft auf wie ein Schwamm. Mit dem Einschalten der Lichtquelle steigt die Temperatur an, wodurch diese ab- und eingelagerte Feuchtigkeit aus dem Material herausgelöst wird. Gleichzeitig steigt beim Anschalten der Leuchte der Taupunkt an, was dazu führen kann, dass sich an der kältesten Stelle des Scheinwerfers Kondensation bildet. Wird der Scheinwerfer wieder abgeschaltet, sinkt die Temperatur erneut, und das Kunststoffgehäuse nimmt die Feuchtigkeit auf. Durch diesen Prozess entsteht zirka 80 % der Feuchtigkeit im Scheinwerfer.

Durch den Prozess der Permeation kommt kontinuierlich weitere Feuchtigkeit hinzu: Ist die Luftfeuchtigkeit im Inneren des Scheinwerfer-Gehäuses geringer als in der Umgebungsluft, diffundiert Wasserdampf über einen längeren Zeitraum durch den Kunststoff von außen ins Gehäuseinnere. Die dritte Ursache für Feuchtigkeit ist die Belüftungsöffnung, durch die Feuchtigkeit sowohl von innen nach außen als auch von außen nach innen gelangen kann.

Bild 2: Die Luftfeuchtigkeit im Scheinwerfer hängt von der Temperatur ab. Daher ist es sinnvoller, den temperaturunabhängigen Taupunkt zur Messung der Feuchtigkeit anzugeben.

Bild 2: Die Luftfeuchtigkeit im Scheinwerfer hängt von der Temperatur ab. Daher ist es sinnvoller, den temperaturunabhängigen Taupunkt zur Messung der Feuchtigkeit anzugeben.Gore

Messung der Feuchtigkeit

Zwar wird die Feuchtigkeit im Scheinwerfer meist als relative Luftfeuchtigkeit (RH) angegeben, aber sinnvoller ist die Angabe des Taupunkts, da dieser Wert nicht von der vorherrschenden Temperatur abhängt. Die Luftfeuchtigkeit hingegen korreliert mit der Temperatur; das folgende Beispiel verdeutlicht dies (Bild 2): Bei 22 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit liegt der Taupunkt bei 11 °C. Fällt die Temperatur auf 15 °C, steigt die relative Luftfeuchtigkeit auf 77 %. Der Taupunkt bleibt allerdings konstant. Bei 11 °C erreicht die relative Luftfeuchtigkeit 100 %. Das heißt, die Luft ist gesättigt und kann keine weitere Feuchtigkeit mehr aufnehmen. Fällt die Temperatur unterhalb des Taupunkts von 11 °C, entsteht Kondensat.

Feuchtigkeit aus dem Scheinwerfer nach außen leiten

Automobilherstellern und -zulieferern bieten sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten, Feuchte aus Scheinwerfern zu transportieren, um eine klare Sicht zu erzielen: Sie können die Scheinwerfer entweder mit einer Querbelüftung ausstatten, um die Feuchte per Konvektion nach außen zu führen, oder sie können in die Scheinwerfer Belüftungskappen oder Belüftungsmembranen einbauen, um so per Diffusion die im Scheinwerfer befindliche Feuchte in Form von Wasserdampf nach außen zu transportieren.

Konvektion, eine offene oder Querbelüftung, lässt sich durch den Einsatz von mindestens zwei Belüftungsschläuchen erzielen, durch die die Luft im Scheinwerfer-Gehäuse zirkuliert und damit die Feuchtigkeit nach außen führt. Die Ursache hierfür sind Druckunterschiede, die bei einem Temperaturanstieg – zum Beispiel bei Einschalten des Scheinwerfers – oder durch die Bewegung während der Fahrt entstehen. Diese Druckdifferenzen erzeugen einen Luftstrom, der feuchte Luft nach außen transportiert (Bild 3). Hierfür müssen sich zwei Öffnungen im Scheinwerfer-Gehäuse befinden: eine unten, durch die die Umgebungsluft angesaugt wird, und eine oben, durch die die Luft wieder ausströmt. Der Nachteil einer solchen offenen Belüftungslösung besteht darin, dass mit der angesaugten Luft auch Staub, Schmutzpartikel, Insekten und andere Fremdkörper in den Scheinwerfer eindringen können. Außerdem funktioniert dieser Mechanismus nur, wenn das Fahrzeug in Bewegung oder der Scheinwerfer eingeschaltet ist. Häufig ist in den mittlerweile eng mit Komponenten bestückten Motorräumen nicht mehr ausreichend Platz um die Scheinwerfer herum, sodass keine ausreichende Umströmung mit Luft mehr gegeben ist.

Bild 3: Von Temperaturunterschieden hervorgerufene Druckunterschiede erzeugen einen Luftstrom, der feuchte Luft nach außen leitet.

Bild 3: Von Temperaturunterschieden hervorgerufene Druckunterschiede erzeugen einen Luftstrom, der feuchte Luft nach außen leitet.Gore

Eine effektivere Möglichkeit, Feuchtigkeit aus Scheinwerfern zu entfernen, ist daher die Diffusion. Dieser physikalische Prozess bewirkt, dass sich Wasserdampf aus Bereichen mit hoher Luftfeuchtigkeit in Bereiche mit niedriger Luftfeuchtigkeit bewegt. Das Diffusionsgesetz beschreibt diesen Vorgang, wobei vD die Diffusionsgeschwindigkeit, D die Diffusionskonstante, A die Austauschfläche und dc/dx der Konzentrationsgradient ist:

vD = –D * A * dc/dx

Daher muss sich zur Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit vD entweder die Austauschfläche A und/oder der Konzentrationsgradient dc/dx erhöhen. Hierbei beschreibt dc den Konzentrationsunterschied (dc = c1 – c2) und dx die Distanz zwischen den Konzentrationen. Der Konzentrationsgradient dc/dx erhöht sich folglich, wenn zwischen dem Inneren und der Umgebung des Scheinwerfers der Konzentrationsunterschied dc möglichst groß oder der Abstand dx möglichst gering ist.

Belüftungskappe versus Belüftungsmembran

Automobilhersteller und -zulieferer haben zwei konstruktive Optionen, um den Diffusionsprozess zu ermöglichen: Belüftungskappen und Belüftungsmembranen. Im Vergleich der beiden Möglichkeiten erweist sich eine Membran, die einfach auf die Öffnung am Scheinwerfergehäuse aufgeklebt wird, als die wirkungsvollere Lösung. Bild 4 zeigt, dass es mehrere Gründe gibt, warum ein solches Adhesive Vent ein besseres Kondensationsverhalten an den Tag legt: Erstens hat ein Adhesive Vent durchschnittlich nur eine Dicke von zirka 0,3 mm, während ein Kappenvent häufig rund 20 mm lang ist. Der Abstand dx, den die feuchte Luft überwinden muss, ist bei einem Kappenvent somit deutlich höher und führt deshalb zu einem schlechteren Kondensationsverhalten. Zweitens können Staub, Schmutz und Ablagerungen den Belüftungspfad im Kappenvent verstopfen, was die Belüftung zusätzlich behindert. Das dritte Argument für eine Belüftungsmembran ist seine Austauschfläche A, die typischerweise größer ist als die einer Belüftungskappe. Laut Diffusionsgesetz wirkt sich dies positiv auf die Diffusionsgeschwindigkeit aus.

Mehr Belüftungsfläche, mehr Feuchtigkeitsdiffusion

Bild 4: Durch eine Belüftungsmembran gelangt in kürzerer Zeit mehr Feuchtigkeit nach außen als durch eine Belüftungskappe.

Bild 4: Durch eine Belüftungsmembran gelangt in kürzerer Zeit mehr Feuchtigkeit nach außen als durch eine Belüftungskappe.Gore

Den Zusammenhang zwischen der Größe der Belüftungsfläche und der Diffusionsleistung demonstriert der MVTR-Test (Moisture Vapor Transfer Rate) am einfachsten. Hierfür wird ein Behälter mit 100 ml Wasser gefüllt, luftdicht verschlossen und mit einer Belüftungslösung versehen. Das Behältnis wird unter Laborbedingungen (22 °C, 50 % Luftfeuchtigkeit) über einen Zeitraum von zwei Wochen jeden Tag gewogen, um so die täglich diffundierte Wassermenge zu messen. Die Messung zeigt, dass durch das Automotive-Vent AVS 9 von Gore zirka 550 mg Flüssigkeit an einem Tag diffundiert. Das Automotive-Vent AVS 5 von Gore, das aus demselben Material wie das AVS 9 besteht, transportiert nur etwa 125 mg Flüssigkeit pro Tag. Der Grund für die geringere Menge ist die kleinere Austauschfläche des AVS 5. Die Fläche A des Belüftungselements AVS 9 beträgt 285 mm2, die des AVS 5 mit 65 mm2. Austauschfläche und pro Tag transportierte Feuchtigkeit stehen somit in einem linearen Zusammenhang. Dennoch zeigt das kleinere Vent AVS 5 immer noch eine mehr als doppelt so hohe Durchlassrate als ein Belüftungsschlauch oder eine Belüftungskappe. Daher ist es gerade für kleinere Gehäuse von Heckleuchten oder Nebelscheinwerfern besonders gut geeignet.

Kombination aus Feuchtigkeitsdiffusion und Eintrittsbarriere 

Eckdaten

Scheinwerfer zählen zu den sicherheitskritischen Komponenten am Auto: Sind sie beschlagen oder verschmutzt, ist die Sicht auf die Straße und entgegenkommende Fahrzeuge getrübt, was die Gefahr von Unfällen erhöht. Daher stehen Automobilhersteller und -zulieferer vor der Herausforderung, die Leuchten vor Kondensation, eindringendem Schmutz und Wasser zu schützen, um Kosten für Garantiefälle und Imageschäden zu vermeiden. Die effektivste Lösung hierfür ist eine Belüftungsmembran, die sowohl als Eintrittsbarriere gegen Schmutz und Wasser dient als auch luftdurchlässig ist. Dadurch gleicht die Membran Druckunterschiede aus und bietet gleichzeitig optimales Kondensationsverhalten.

Von der höheren Diffusionsleistung abgesehen, zeichnen sich die Automotive-Vents von Gore allerdings noch durch einen weiteren entscheidenden Vorteil für Anwendungen in Scheinwerfern aus: Während Belüftungsschläuche zwar durch die Konvektion ein effizientes Kondensationsverhalten bieten, können während der Fahrt Staub, Schmutz, Ablagerungen und Wasser ungehindert in den Scheinwerfer eindringen und die sensible Elektronik im Inneren korrodieren. Umgekehrt schützen zwar Belüftungskappen wirksam vor Verschmutzung, ermöglichen jedoch die Diffusion von Feuchtigkeit nur in sehr begrenztem Maß. Automotive-Vents von Gore verbinden beides in einer Komponente. Das Belüftungselement AVS 9 sorgt für eine ausgewogene Balance zwischen Schutz vor eindringenden Partikeln und Flüssigkeiten auf der einen und einem zuverlässigen praxisbewährten Kondensationsverhalten auf der anderen Seite.

Belüftungslösungen mit ePTFE-Membran

Die hier beschriebenen Adhesive-Vents bestehen aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE). Dieses Material zeichnet sich durch seine äußerst feinmaschigen Poren aus, die etwa 20.000 mal kleiner sind als ein Wassertropfen und so verhindern, dass selbst kleinste Tröpfchen oder Schmutzpartikel bis 1,0 Mikrometer Größe eindringen können. Zudem ist ePTFE besonders temperatur- und chemikalienbeständig. Aufgrund der geringen Oberflächenenergie verfügt ePTFE über ausgezeichnete hydrophobe und oleophobe (wasser- und ölabweisende) Eigenschaften, was in Scheinwerfern besonders wichtig ist, da die Membran unter der Motorhaube mit Ölen, Schmierstoffen, Reinigungsmitteln und weiteren Automotive-Flüssigkeiten in Berührung kommt. Diese ölabweisende Beschaffenheit entsteht durch die Veredelung der Membran.

Durch diese Eigenschaften schützen Belüftungselemente mit ePTFE-Membran Scheinwerfer vor Schmutz und ermöglichen gleichzeitig eine entsprechende Belüftungsleistung.