防水透氣閥在密封結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

白秀茹

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

防水透氣閥在密封結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

白秀茹

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對部分野外密閉電子設(shè)備有保持設(shè)備機(jī)箱內(nèi)外氣壓平衡的設(shè)計需求，介紹了透氣膜材料透氣原理，進(jìn)行了防水透氣閥的透氣量和透濕性驗證試驗，證實(shí)了防水透氣閥的高透氣、透濕性能。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，提出了保持機(jī)箱內(nèi)外氣壓平衡的設(shè)計方法，強(qiáng)調(diào)了密封機(jī)箱內(nèi)部防潮設(shè)計的重要性。密封結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐驗證了內(nèi)外氣壓平衡效果。

防水透氣閥；氣壓平衡；呼吸效應(yīng)

0 引言

在地面電子設(shè)備中，常常應(yīng)用密封腔體的結(jié)構(gòu)形式。密封結(jié)構(gòu)的目的是保護(hù)內(nèi)部電氣和結(jié)構(gòu)免受外部惡劣環(huán)境影響[1]。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，理想氣體的壓強(qiáng)與理想氣體的體積和絕對溫度之間存在函數(shù)關(guān)系，那么短時間內(nèi)自然環(huán)境氣溫變化即環(huán)境溫差可引起密閉機(jī)箱內(nèi)部氣體氣壓與外界氣壓失衡。野外密封設(shè)備因受濕度、溫度驟變造成的氣壓失衡，產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”，往往會在設(shè)備內(nèi)部形成水汽凝結(jié)或積水[2]。氣壓變化尤其是內(nèi)部氣壓增大后，還會引起腔體內(nèi)電路板焊盤剝離、微帶天線面鼓包等現(xiàn)象發(fā)生，致使器件損壞、性能指標(biāo)下降。故密封結(jié)構(gòu)對氣壓平衡的需求，引發(fā)了新材料的應(yīng)用。防水透氣膜隨之進(jìn)入設(shè)計師眼界。防水透氣膜因其較大的透氣量和較好的防水性，最初在航天環(huán)境得到應(yīng)用。目前在地面設(shè)備中也開始應(yīng)用防水透氣閥，以解決高濕地區(qū)晝夜溫差大引起的密封設(shè)備內(nèi)的水汽凝結(jié)問題。本文依據(jù)實(shí)際工程項目，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，闡述如何定量使用透氣閥，并實(shí)際驗證工程中天線鼓包問題的解決。

1 防水透氣材料透氣原理

防水透氣材料由阻燃布和高分子防水透氣薄膜復(fù)合而成。高分子薄膜具有微孔，其孔徑為零點(diǎn)幾到幾十μm。各種雨霧直徑的統(tǒng)計平均值如表1[3]所示。從表1中看出，高分子薄膜的微孔直徑為水滴直徑的數(shù)千分之一，是水蒸汽分子直徑的1 000倍左右。在常溫、常壓下，水以液態(tài)形式存在而不是水蒸汽分子形式存在時，不能通過防水透氣材料，以達(dá)到防水透氣的目的。由于水蒸汽分子的直徑與空氣分子直徑相當(dāng)，因此防水透氣材料對于水蒸汽和空氣的透過率是相同的，其透過量決定于膜的開孔率、厚度和孔徑。目前該種薄膜通常采用聚四氟乙烯制成的PTEE薄膜。

表1 各種雨霧直徑

2 防水透氣閥的選用方法

密封機(jī)箱安裝防水透氣閥，可實(shí)現(xiàn)在環(huán)境氣壓發(fā)生變化時消除機(jī)箱內(nèi)外氣壓殘差的目的。

例如，某密封盒外形尺寸為200 mm×200 mm×50 mm。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫下，經(jīng)計算可得出安裝透氣閥數(shù)量。計算過程如下：

據(jù)氣體狀態(tài)方程：

式中，T1為初始溫度(設(shè)為20 ℃)；T2為升至溫度(設(shè)為70 ℃)；V1為初始溫度時被測氣體體積(即密封盒內(nèi)容積，經(jīng)計算得1.96×107mm3)；V2為T1升至T2，V1膨脹后的體積。

根據(jù)公式，V2=V1×T2/T1。

經(jīng)計算V2約為22 900ml。設(shè)定升溫時間t=30 min，若要密封盒內(nèi)氣壓保持不變，向盒外排出氣體的流量應(yīng)為：

(V2-V1)/t=110 ml/min。

選用不同廠家流量參數(shù)分別為180 ml/min(EM-M4)和230 ml/min(VV-M5)的透氣閥，均安裝一個即可滿足流量需求。

3 防水透氣性能試驗驗證

透氣性能試驗驗證是為防水透氣閥在產(chǎn)品正式應(yīng)用前積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。一方面通過觀察密封機(jī)箱內(nèi)部氣壓殘差，來評測安裝透氣閥的數(shù)量及其對應(yīng)透氣量的正確性；另一方面通過觀察透濕性為防潮設(shè)計提供依據(jù)。

3.1 透氣量摸底試驗

主要試驗用品有：鋁質(zhì)密封盒、氣壓表(量程0～1.6 bar)和透氣閥等。

在試驗室高低溫箱內(nèi)進(jìn)行試驗。將密封盒置于溫箱內(nèi)，測量密封盒內(nèi)部氣壓的氣壓表引至溫箱外，設(shè)定溫箱溫度循環(huán)范圍等參數(shù)，實(shí)時記錄氣壓表讀數(shù)。試驗場景如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 放置于溫箱內(nèi)的密封盒體

圖2 氣壓表引至溫箱外

圖3 密封盒體上的透氣閥安裝

分別在盒體安裝一個不同品牌的M4型和M5型透氣閥，溫箱溫度循環(huán)值為：25～+70 ℃～-40～+25 ℃。分別記錄溫度變化引起的氣壓變化。結(jié)果摘錄如表2和表3所示。

表2 M5型透氣性試驗數(shù)據(jù)

表3 M4型透氣性試驗數(shù)據(jù)

由記錄結(jié)果可見，M5型防水透氣閥在常壓試驗環(huán)境下，透氣性良好，升溫降溫過程，盒體內(nèi)外基本無壓差，可保持內(nèi)外氣壓平衡且氣體流速較大。M4防水透氣閥在升溫降溫過程中，盒體內(nèi)外存在較小壓差，隨時間延長，壓差消除，可保持內(nèi)外氣壓平衡且氣體流速較小。

3.2 透濕性摸底試驗

防水透氣閥具有透過濕氣的功能，可以避免潮氣在設(shè)備內(nèi)部的積聚，那么高濕且溫度驟變環(huán)境，如何影響機(jī)箱內(nèi)濕度，有待進(jìn)一步試驗驗證。

在試驗室高低溫箱內(nèi)，進(jìn)行試驗。試驗條件是：濕度95%，溫度30～60 ℃交變，24 h一個溫度循環(huán)，進(jìn)行10個循環(huán)。以此考驗長時間暴露在潮濕環(huán)境下的濕氣透過性能。

為取得濕度數(shù)值，分別在2個試驗盒中放入ATM2001型濕敏電容溫濕度傳感器，傳感器信號采用模擬電壓輸出方式。同時，2個盒內(nèi)分別撒入變色硅膠，作為定性輔助方法。其中1號盒為全密封盒，不安裝透氣閥；2號盒為全密封盒體上安裝了1個VV-M5防水透氣閥。摘錄的濕度傳感器數(shù)值如表4所示。變色硅膠變色情況如圖4和圖5所示(硅膠干燥時為深色，隨濕度增大逐漸變?yōu)闇\色。圖片中深色顆粒為藍(lán)色硅膠，淺色顆粒為淺粉色硅膠)。

表4 透濕性試驗數(shù)據(jù)記錄表 (%)

圖4 試驗結(jié)束時1號盒硅膠變色情況

圖5 試驗結(jié)束時2號盒硅膠變色情況

由記錄結(jié)果可見，安裝了透氣閥的盒子(2號盒)，盒內(nèi)濕度值與外環(huán)境達(dá)到一致，硅膠明顯變?yōu)闇\色。全密封盒(1號盒)無濕度值變化，硅膠無明顯變色。盒內(nèi)均無積水。

4 工程應(yīng)用效果

通過摸底試驗可得出初步結(jié)論：① 選擇流量匹配的透氣閥，密封機(jī)箱的透氣性可滿足內(nèi)外氣壓平衡需求；② 濕氣分子可以透過透氣閥，密封機(jī)箱內(nèi)外濕度接近一致。

近幾年的工程實(shí)踐中，野外設(shè)備依據(jù)需要配裝了防水透氣閥，氣壓平衡對提高設(shè)備性能有明顯效果。如某船載設(shè)備的微帶天線內(nèi)部饋電連接點(diǎn)與密閉機(jī)箱內(nèi)部相通，安裝防水透氣閥以前，當(dāng)設(shè)備經(jīng)受太陽照射或溫箱中高低溫沖擊后，機(jī)箱內(nèi)部氣壓與外界環(huán)境不同步，當(dāng)內(nèi)部高于外部氣壓時，便發(fā)生了饋電連接點(diǎn)焊盤崩裂和天線面鼓包現(xiàn)象。安裝透氣閥后，微帶天線鼓包的問題得到了徹底解決，有效地避免了天線變形引起的電氣性能下降。該設(shè)備安裝在我國南方沿海的輪船甲板上，經(jīng)過2年多時間的近海試驗，電氣性能和結(jié)構(gòu)狀態(tài)一直保持完好，機(jī)箱內(nèi)部亦未發(fā)生積水現(xiàn)象，也未發(fā)生腐蝕。設(shè)備機(jī)箱內(nèi)外的結(jié)構(gòu)和電氣表層均采用了重防護(hù)涂層，即艦船載甲板設(shè)備涂層系統(tǒng)[4]。

防水透氣閥尺寸小巧，一般選用螺紋安裝結(jié)構(gòu)，所以使用比較方便。安裝時只需要考慮安裝后不易被磕碰、避開正面經(jīng)受風(fēng)雨的位置即可。一般安裝在設(shè)備箱體的底部，還可避免外界灰塵等顆粒物積聚在防水透氣閥膜層上堵塞透氣膜[5]。

防水透氣閥雖然在工程中解決了一些難點(diǎn)問題，但并非萬能。我國地形多樣，涵蓋了從熱帶到寒帶各種環(huán)境氣候條件[6]。如溫帶寒冷的夜晚，可能引起濕氣結(jié)霜(冰)[7]，這時透氣膜雖阻隔了呼吸效應(yīng)引起機(jī)箱內(nèi)部積水，但不能解決結(jié)霜(冰)造成的內(nèi)部積水。因此在此類地區(qū)使用的電子設(shè)備應(yīng)考慮設(shè)計定期排放積水的結(jié)構(gòu)[8]。

5 結(jié)束語

透氣閥具有在短時間內(nèi)使密封設(shè)備達(dá)到內(nèi)外氣壓平衡的能力，這在前面的透氣性試驗中已得到驗證。氣壓平衡在密封結(jié)構(gòu)中帶來的好處：① 可有效避免氣壓差帶來的器件損壞；② 可大幅減小呼吸效應(yīng)產(chǎn)生積水問題。因此防水透氣閥特別適用于在寬溫度、寬高度變化范圍工作的密封結(jié)構(gòu)電子設(shè)備。

對于野外電子設(shè)備，三防設(shè)計必不可少，微孔膜材料的孔徑小，決定了防水透氣閥具有阻止細(xì)小的鹽結(jié)晶進(jìn)入密封腔體內(nèi)的功能，因此可以減少鹽霧對電子設(shè)備的腐蝕。但濕氣分子可以穿透透氣膜，這在前面的透濕性試驗得以驗證，潮濕總要侵蝕金屬和非金屬，促進(jìn)微生物生長，引起電子設(shè)備腐蝕[9]。因此安裝了防水透氣閥的密閉機(jī)箱內(nèi)部也不可放松防潮設(shè)計。

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

[2] 龔光福.呼吸效應(yīng)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009，7(3)：236-239.

[3] 張建可.防水透氣材料在航天器上的應(yīng)用研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2009(1)：68-71.

[4] 黃湘鵬，陸 敏.海洋環(huán)境中雷達(dá)表面涂層的現(xiàn)狀及分析[J].雷達(dá)與對抗，2015，35(1)：58-60.

[5] 劉應(yīng)輝，張思東.防水透氣閥在通信設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2014，30(4)：5-7.

[6] 楊偉光，馬 驂.電子設(shè)備三防技術(shù)手冊[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2000.

[7] 許建照.濕度、露點(diǎn)和干燥度[J].電子機(jī)械工程，2009，25(5)：25-27.

[8] 平麗浩，黃普慶，張潤逵.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[9] 李歐卿，魏 芃，朱 箭.室外通信機(jī)柜防結(jié)露研究[J].電子機(jī)械工程，2011，27(5)：2-4.

白秀茹 女，(1969—)，高級工程師。主要研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Application of Waterproof Ventilated Valve in Sealed Structure

BAI Xiu-ru

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

As for the design requirement of some sealed electronic equipment in field environment,it is necessary for the internal and external pressure of the case to be balanced.The ventilation principle of breathable material is introduced in this paper.The characteristics of air permeability and moisture penetrability of waterproof ventilated valve are tested in the experiment.Based on a comprehensive analysis on the experimental data,a design method is provided to balance the internal and external pressure of the case,and the importance of moisture-proof is emphasized.The effect of internal and external air pressure balance is demonstrated by practical applications of sealed structure.

waterproof ventilated valve;air pressure balance;respiratory effect

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.18

白秀茹.防水透氣閥在密封結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].無線電工程,2017,47(1):76-78，82.

2016-11-10

國家部委基金資助項目。

TH136

A

1003-3106(2017)01-0076-03