Cómo las juntas inteligentes alargan la vida útil de las luminarias

Gary Chan y Henning von Lepel, Ingenieros de Aplicaciones en W. L. Gore & Associates

Las luminarias LED para exteriores han de ser lo suficientemente robustas como para soportar una extensa variedad de condiciones medioambientales.

Las "juntas inteligentes" pueden dar una solución eficaz a este problema: por un lado, evitan la entrada de agua y sustancias contaminantes; por otro, posibilitan equilibrar la presión en ambos sentidos. Los modernos sistemas de ventilación son capaces de desempeñar ambos cometidos simultáneamente... y prolongar en gran medida la vida útil de las luminarias LED.

Las lámparas LED están sustituyendo cada vez más a los tubos de neón y a las llamadas bombillas de bajo consumo estándar. Con una vida útil de hasta 100.000 horas, estas lámparas son extremadamente fiables y no dañan el medio ambiente. Con objeto de lograr esta vida útil tan extensa, las carcasas han de ser lo bastante robustas como para proteger de daños sus componentes electrónicos. Motivo por el cual son estancas e impiden la entrada de agua y sustancias contaminantes. Pero los cambios en la temperatura exterior hacen que la presión del aire en el interior de la carcasa fluctúe constantemente, lo que a su vez ejerce una presión positiva o negativa en las juntas, reduciendo su efectividad. Con el paso del tiempo, las juntas empiezan a dejar entrar agua y sustancias contaminantes en la carcasa, lo que conduce a corrosión, a cortocircuitos y a un posible fallo de los componentes electrónicos. Asimismo, la condensación formada en el interior de la luminaria puede afectar la calidad de la luz que emite.

Múltiples causas pero un solo efecto

Los cambios de la temperatura al aire libre son una de las causas más comunes para las variaciones de presión. Pueden ser repentinos, como los causados por ejemplo por un fuerte chaparrón en un cálido día de verano, o más graduales, a lo largo del día o del año. En cualquier caso someten a las juntas a unos esfuerzos considerables. Es más, es frecuente que la luz solar directa provoque que el aire del interior de la luminaria LED se caliente con rapidez, con el resultado de una mayor presión –positiva– en las juntas. Por la noche, cuando las temperaturas vuelven a descender, el aire del interior se contrae y crea un ligero vacío que tira de las juntas hacia adentro. Un descenso rápido de temperatura puede generar un vacío de hasta 150mbar dentro de la luminaria, mientras que un cambio de 30ºC en la temperatura provoca un flujo de aire de salida o de entrada equivalente a aproximadamente el 10 por ciento del volumen de una carcasa de juntas no selladas herméticamente.

Los cambios de temperatura dentro de las luminarias LED también causan diferencias de presión. Si bien los LED no se calientan tanto como las bombillas incandescentes, encender y apagar una luminaria tiene como resultado importantes oscilaciones de temperatura. Éstas son más acusadas inmediatamente después del encendido, lo que significa que conectar y desconectar las luminarias repetidas veces no sólo afecta seriamente a sus componentes electrónicos, sino que además somete a las juntas a un esfuerzo considerable.

Por otra parte se subestima del todo el efecto de los cambios de altitud. Como es lógico, no hay diferencia alguna entre instalar luminarias LED en el tejado de un edificio o en el jardín... pero es que mucho antes de eso las luminarias se transportan adonde se van a usar. Dado que los centros de producción están diseminados por todo el globo, es habitual que los fabricantes envíen los productos a los distribuidores por avión, lo que generalmente implica varias escalas. La consecuencia es que las luminarias LED se ven expuestas a diferencias de presión que pueden oscilar entre poco más de 1.000mbar a nivel del suelo y 800-850mbar una vez en el avión.

Otra causa generalizada de las diferencias de presión es el choque térmico que ocurre cuando una luminaria LED ya caliente se ve rociada con agua de una manguera de jardín, por ejemplo, o al lavar una luminaria fría con agua caliente. También puede producirse cuando nieva sobre la luminaria.

Equilibrar la presión mientras se protege del agua y sustancias contaminantes

La parte complicada de mantener una presión constante dentro de una luminaria es permitir que el aire fluya libremente hacia adentro y hacia afuera al tiempo que se impide la entrada de agua y sustancias contaminantes. Las juntas tipo laberinto ni se plantean como solución, dado que dejan pasar partículas, insectos y agua. Pero cerrar herméticamente el dispositivo con juntas más robustas, más tornillos, carcasas más gruesas o compuestos de encapsulado exige el uso de materiales no permeables y su coste es tan elevado que resulta inaceptable. Es más: hacen que aumente el peso del dispositivo, lo vuelven extremadamente difícil de abrir si existe presión negativa o prácticamente imposibilitan su reparación.

Otra alternativa es la instalación de una pieza de fieltro, de un elemento de ventilación sinterizado o de una válvula mecánica. Las primeras dos opciones solventan el problema de las diferencias de temperatura, pero pueden quedar bloqueadas por la acción del agua y sustancias contaminantes. Y la válvula mecánica es una solución unidireccional de dentro a afuera, lo que quiere decir que no puede evitar la formación de vacío.

Gore ha desarrollado una solución: un elemento de ventilación de politetrafluoroetileno expandido (ePTFE). Una membrana respirable en ambos sentidos que equilibra continuamente la presión del interior de la carcasa de la luminaria a la vez que también evita la entrada de agua y sustancias contaminantes. La membrana microporosa también se puede tratar con un revestimiento que la haga oleofóbica, es decir, repelente a las sustancias oleosas. La microestructura de nódulos y fibrillas del ePTFE es lo suficientemente abierta como para permitir con facilidad el paso de moléculas de gas y vapor, pero las aberturas son tan pequeñas que repele los líquidos y otras partículas.

Un importante aspecto a tener en cuenta es cómo abordar el problema del sulfuro de hidrógeno, producido sobre todo por juntas baratas de EPDM (etileno propileno dieno) fabricadas mediante vulcanización por azufre y en las que el proceso de vulcanización no logró fijar todos los átomos de éste. (También pueden liberar sulfuro de hidrógeno el caucho de nitrilo butadieno [NBR] vulcanizado por azufre u otros compuestos que los contengan). Esta sustancia provoca la corrosión de varios componentes de la luminaria, como los conductores-soportes con revestimiento de plata, lo que afecta al contacto eléctrico en la soldadura de hilo o de dado.

Éxito tras exhaustivos ensayos prácticos

Al equilibrar la presión con un elemento de ventilación de ePTFE se reducen las posibilidades de que el vapor de la humedad se condense sobre ópticas y parábolas reflectoras, y se prolonga la vida útil de las juntas. Lo anterior ha quedado demostrado tras un minucioso ensayo que comparó dos luminarias LED disponibles en comercio; una con una junta convencional y la otra con un elemento adicional de ventilación de ePTFE. Aunque el ciclo de encendido/apagado de ambas luminarias provocó la subida y bajada de la temperatura, la cantidad de presión experimentada por las juntas fue considerablemente distinta. En la luminaria estanca la presión llegó a un pico de 6,2mbar al encender la lámpara, y cayó a -6,9mbar al apagarla; la luminaria con elemento de ventilación presentó una oscilación de sólo ±0,69mbar.

La importancia de las diferencias de presión quedó demostrada al comparar la humedad relativa del aire dentro de las luminarias LED tras un ensayo estándar de entrada de agua IPX5. La humedad relativa en la luminaria estanca fue considerablemente mayor que la de la luminaria provista de elemento de ventilación. A lo largo de diez días, la humedad relativa en la luminaria estanca se mantuvo casi siempre en torno al 100%.

Lo anterior indicaba la presencia de condensación dentro de la luminaria, causada por la entrada de agua durante la prueba. Si bien la humedad relativa en la luminaria con elemento de ventilación aumentó inmediatamente tras la prueba de choque, descendió de nuevo con relativa rapidez y no hubo indicios de condensación.
Otra prueba, llevada a cabo al aire libre al sur de Munich durante un período de cinco años, demostró la mayor vida útil de las carcasas con elemento de ventilación. Se probaron cinco unidades: dos que carecían de elementos de ventilación, una con un elemento lateral, otra con un elemento en la parte superior y otra con dos elementos de ventilación (uno a cada lado). Los ensayos mostraron que la diferencia de presión en las unidades sin elemento de ventilación oscilaba desde los -150mbar en ambas hasta 131 y 147mbar, respectivamente.

Se encontró asimismo una cantidad importante de condensación. En las unidades con elemento de ventilación las mediciones de presión máxima cayeron a ±40mbar en la unidad con un elemento superior, a ±30mbar con un elemento lateral y a sólo ±4mbar en la unidad con dos elementos: una impresionante demostración de cuán efectivos son estos sistemas de ventilación para el equilibrado de la presión. Además no se percibió condensación, ni tampoco la entrada de agua o polvo. Otras pruebas mostraron que los elementos de ventilación seguían funcionando perfectamente aun después de cinco años al aire libre.

Conclusión

Las diferencias de presión afectan negativamente a las juntas de las carcasas. No tener en cuenta tal aspecto durante el diseño de luminarias LED puede acortar la vida útil de los LED, de los circuitos de control de la fuente de alimentación y de otros componentes electrónicos. La entrada de agua debido a daños en las juntas lleva también a la aparición de condensación en la óptica y los reflectores, lo que puede disminuir la eficiencia lumínica y la calidad estética de la luminaria. Como quedó demostrado en la prueba IPX5, la instalación de un elemento de ventilación de ePTFE en la carcasa equilibra la presión al posibilitar el flujo continuo del aire en ambos sentidos y evitar la entrada de agua. Es más, el elemento de ventilación reduce la condensación dado que el vapor puede salir de la luminaria antes de llegar a condensarse.

El elemento de ventilación de ePTFE equilibra la presión en la carcasa además de evitar la entrada de agua y la formación de condensación.

 
Comité Español de Iluminación