露天密封機箱應用防水透氣閥?

暢黎鵬

（中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

露天設備處于戶外嚴酷的自然環境中，如沙漠、高山、海洋、島礁等，承受著環境溫度晝夜交替變化的影響，同時還會接觸各種粉塵顆粒，頻繁遭受雨水、霧氣、冰雪、風沙和太陽輻射，使用環境極其惡劣。由于后期維護困難且成本高，因此對露天設備的環境適應性防護和可靠性要求非常高。

2 應用情況

為了滿足惡劣的使用環境要求，露天設備通常需采用密封機箱的結構形式。密封機箱結構的目的是使機箱內部與外界大氣隔離［1］，保護內部電氣和結構免受外部惡劣環境影響，避免液態的水進入機箱，盡量減少機箱內部的水蒸氣，對內部的元器件起到防水防塵的保護作用，以提高元器件的可靠性，延長設備使用壽命。同時，可以滿足防淋雨及流體污染等環境適應性的要求。

目前密封機箱主要是通過密封膠條和螺釘緊固連接來實現完全密閉，一般能達到IP65及以上防塵防水要求［2］。但往往由于機箱密封不嚴密，這種密封結構盡管解決了露天環境下出現銹蝕等難題，同時又帶來了新的問題。

在實際環境中，由于晝夜交替和四季變化，機箱內部氣體隨著外界溫度變化而熱脹冷縮。在白天，尤其是在酷熱的夏季，溫度的快速上升會引起機箱內空氣膨脹，密封機箱內空氣無法排出，內部氣壓高于外部氣壓，壓力便會積聚在機箱最薄弱的環節，如密封條、連接器和線纜等處。反之，當設備遇到大風雨雪等氣候狀況時，都會引發溫度急劇下降，從而在機箱內部形成負壓，此時，如果外部空氣無法進入機箱內補償，壓力將會同樣施加于機箱最薄弱處。機箱內氣體反復熱脹冷縮會使蓋板產生變形，機箱發生鼓包現象。

在長期循環作用下，密封條可能會受到損壞，密封機箱經常會出現微孔和裂縫，降低密封效果，導致短時間內機箱內部大量積水，造成機箱內線路故障、零件嚴重銹蝕，使電子器件失效加速，故障增多，降低設備的使用壽命。在溫差變化大、濕度大的地區，尤為嚴重，如何有效地解決進水問題已經成為設計中迫切需要考慮的問題。

3 原因分析

密封結構會因凝露現象和呼吸效應導致機箱內部出現潮氣和積水，而潮氣對元器件的可靠性有較大的影響。造成其金屬材料易腐蝕，非金屬材料易老化、失效，給電子設備帶來很大的破壞性和危害性，嚴重影響設備的可靠性和壽命。

3.1 凝露現象

我們通常所說的空氣一般為濕空氣，是干空氣和水蒸氣的混合體。

當氣溫降低到某一溫度時，空氣相對濕度增至100%，達到飽和狀態，此溫度稱為露點溫度。

當局部環境溫度低于環境露點溫度時，空氣中的水蒸氣從飽和空氣中分離出來，凝結成水滴，產生凝露現象［3］。

遇到暴雨天氣，由于溫度的急速降低，會使機箱內高溫、高濕的空氣中水氣過飽和，空氣中的水蒸氣低于露點溫度，即可在物體的表面產生凝露現象。為了保證電子設備可靠性要求，機箱內部的凝露應能夠通過某種形式排出，而外部的凝露也盡量不要侵入設備內。同時，根據空氣濕度與溫度的關系曲線，空氣相對濕度越大，凝露現象就越容易出現。當電子設備處于我國南方或海洋等環境下，凝露現象則更為嚴重。凝露現象與機箱容積大小、升（降）溫速度和相對濕度有關。箱體越大，升（降）溫越快，濕度越大，則凝露現象就越厲害。凝露現象一般發生在升溫的時候［4］。

3.2 呼吸效應

露天密封機箱工作環境惡劣，長期處于高溫、高濕或鹽霧環境中。因受濕度、溫度驟變造成的氣壓失衡，產生“呼吸效應”，往往會在設備內部形成水汽凝結或積水。呼吸效應是一種自然現象，是密封機箱受外界溫度變化影響的必然結果，它符合熱脹冷縮的基本原理。

密封機箱內的氣體會產生一定的壓強，壓強的變化因溫度變化而變化。理想氣體狀態方程如下:

式中:P為氣體壓強；V為氣體體積；n為氣體的量；R為氣體常數；T為氣體的熱力學溫度。

當密封機箱內氣體溫度發生變化時，氣壓也隨之變化，其變化量可表示為

從式（2）可以看出，機箱體積越大，溫差越大，產生的壓差越大。從而導致用于密封的密封條承受很大的壓力，導致其加速老化，甚至失效。一旦密封條出現了細小的縫隙，就會導致氣體在縫隙處的流動。

當吸入的潮濕空氣積聚到一定量時，在露點溫度附近形成水霧或凝露。幾年、十幾年的“呼吸作用”甚至可在機箱內形成積水［5］，使電子設備的失效加速和故障增多。

密封機箱的呼吸效應除了呼吸大氣外［6］，機箱內外部形成的壓力差還可以吸進縫隙附近的液體，使內部進水。隨著外界溫度的變化，會在箱體內形成正負壓力，長時間的內外壓差作用，會使箱體的密封效果變差，同時產生“呼吸作用”和“吸水效應”。特別是當夏天突發暴雨時，氣溫急劇下降，密封機箱內外氣壓差較大，雨水覆蓋縫隙或小孔，形成吸水效應，水就會被吸入機箱內部。作為一個密閉的機箱，內部的水汽排出將非常困難，最終導致設備故障。

遇到夏天突發暴雨，密封機箱一次最多可以吸進水的體積，相當于機箱本身體積的10%。這種因呼吸效應引發的吸水作用，才是密封機箱出現小孔或縫隙時，短時間內大量積水的根本原因。

4 解決方案

對露天密封機箱的凝露特性進行分析，當柜內濕度大且遇到環境溫度快速下降時，極易發生凝露現象。對于有一定熱量產生的密封機箱，可使用低成本的保溫材料來提高溫度，降低相對濕度，防止冷凝，解決凝露問題［7］。另外需要降低密封機箱的絕對濕度，除了增強結構密封性外，建議使用吸濕劑來除濕。

還可以提高設備的防護等級，使設備防護等級提高到IP68，但設備制造成本急劇增加，并且不能完全解決設備進水問題，在內外壓力差的作用下，水由于呼吸效應作用仍然存在進入設備內部的可能。

采用透氣孔、迷宮式通道等設計方案可以有效平衡內外壓力差，從而保護密封條不受過大的壓力，避免水從密封界面進入機箱內部。但這些方案都無法完全阻止水、灰塵、雜質和異物從其自身（孔、通道）進入，使用中存在一定的風險。

以上這些方案都無法完全解決進水問題。工程實踐中，露天密封機箱可以依據需要配裝防水透氣閥。

在安裝防水透氣閥后，空氣和水蒸氣可自由出入機箱，能有效平衡機箱內外氣體壓力，控制由環境氣壓、空氣溫度變化引起的機箱內外氣壓波動，及時自動排除密封機箱內的過量氣體，避免造成水從機箱密封條、線纜等薄弱環節進入設備內部，保證密封條的完整性，可以有效解決高濕地區晝夜溫差大引起的密封設備內的水汽凝結問題，能夠有效保護設備內部電子元器件的正常工作，從而提高設備在露天工作的可靠性。

同時，機箱內部和外部的氣壓基本平衡，可解決內外壓力變化可能導致的結構件變形、密封條老化失效等問題。

防水透氣閥具備很好的防水防塵能力（可以達到IP68甚至更高的等級）。防水透氣閥主要由閥體、防水透氣膜、屏蔽網和密封圈組成。其結構示意圖如圖1所示，其中核心器件為防水透氣膜。

圖1 防水透氣閥結構示意圖

防水透氣膜是由膨體聚四氟乙烯（EPTFE）薄膜和聚丙烯面料、網格加強筋再經過高熱熔而成，具有數億個獨特的微孔結構，這種微觀網狀結構的微孔直徑在0.1μm～3.0 μm，是灰塵和水滴的1/1 000，是水分子的700多倍［8］，利用氣體分子與液體及灰塵微粒的體積大小數量級差，讓氣體分子通過，而液體與灰塵無法通過，從而實現防水防塵透氣的目的。防水透氣膜有較大的透氣量和較好的防水性。憑借防水透氣膜極高的透氣量實現不斷的內外氣體交換，促使內外氣壓相等，能夠起到平衡密閉機箱內外壓力的作用。通過不斷平衡機箱內部和所處環境的壓差，允許機箱體內的水汽透過薄膜釋放到外面，而外面的水則無法進入機箱，透氣而不漏水起到防水透氣的作用，從而有效防止凝露現象。

聚四氟乙烯被譽為“塑料王”，是由四氟乙烯經聚合而成的高分子化合物，具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性，良好的抗老化。因此，防水透氣膜具有耐腐蝕性、耐高低溫、抗紫外線照射等特性［9］。防水透氣閥抗污染能力強，不需維護，能在全天候多種區域苛刻環境下長期工作。

防水透氣閥并不能改善單次溫降引起的機箱內部氣體凝露，但凝露量很少，并不足以引起設備故障。由于水蒸汽分子的直徑與空氣分子直徑相同，因此防水透氣膜對于水蒸氣和空氣的透過率是基本相同的［10］。電子設備在工作狀態下是一個發熱體，內部一旦形成積水，可通過發熱促使其形成水蒸氣［11］，在正壓的情況下，通過防水透氣閥把機箱內部的水汽排出機箱。

防水透氣閥有減少機箱內積水的作用，能夠降低密封機箱內元器件故障頻率和提高組件的可靠性。

5 安裝和選型

5.1 安裝

防水透氣閥結構簡單，性能可靠，尺寸小巧，一般選用螺紋安裝結構，所以安裝簡單，維護成本低。

防水透氣閥應安裝在設備不易被磕碰的位置如箱體的底部或側壁上，避開正面經受風雨［12］，避免外界雨水聚積灰塵覆蓋，周圍空氣要流通順暢。安裝接觸面要平滑，盡量避免紋面，也不能安裝在弧面上。如此可保證防水透氣閥實現其透氣、防水、防油、防塵和防鹽霧等功能，減少機箱密封件的應力。

5.2 選型

按安裝方式主要有螺紋式、壓入式、卡扣式、紐扣式、背膠式和焊接式等透氣閥。

螺紋式防水透氣閥有M5、M6、M8、M10、M12、M20、M24和M40等系列。

按材質主要有塑膠透氣閥和金屬透氣閥。

金屬透氣閥又可分為不銹鋼透氣閥、鋁合金透氣閥和黃銅透氣閥三種。

建議閥體基材采用不銹鋼材料，以滿足三防要求等。

防水透氣閥耐高低溫可達-40℃～+120℃。阻燃等級可達UL 94 V-0。

5.3 關鍵指標的選擇

防水透氣閥主要功能是防水透氣和平衡壓差，其關鍵性能指標是防護等級和透氣量。

防護等級主要與閥體生產工藝和透氣膜的防水能力有關，可以達到IP65、IP66、IP67、IP68甚至更高的防護等級。防護等級的選擇和設備的應用環境有關，一般的風吹雨淋環境要求IP65即可，如有浸水要求，則需考慮IP67或更高的防護等級。

透氣量的選擇主要與機箱體積、最大溫差等密切相關。假設設備內部空氣體積為10L，外部使用環境最大溫差為從80℃降低到20℃（12min內），并且內部和外部初始空氣壓力均為1個大氣壓，即101kPa，并假設從80℃降低到20℃是一個均勻降溫的過程，內外壓差按1min為時間單位進行積聚，且內部空氣壓力在每個時間單位開始時已恢復至一個大氣壓。

裝有防水透氣閥的情況下，我們的目的是將內部空氣壓力始終保持在一個大氣壓，所以:

式中:P為氣體壓強；V為氣體體積；n為氣體物質的量；R為氣體常數；T為氣體的熱力學溫度。

則 V2=V1×（T2/T1）=10×（293.15/353.15）=8.3 L，則需從外部補充的空氣體積△V=1700ml，即142ml/min。

假定降溫是一個勻速過程，則內外壓差在1kPa～2 kPa之間（80℃降到75℃和25℃降到20℃產生的壓差均在1kPa～2 kPa之間），那么要求透氣閥的透氣量為497 ml/min～994ml/min@7 kPa（透氣量與壓差有線性關系，一般用7 kPa時的透氣量表示）。實際使用時考慮到外界環境的復雜性，一般透氣量選擇為理論設計值的2倍以上為宜。

6 結語

露天密封機箱要求具有良好的可靠性和防水防塵能力。露天密封機箱因溫度變化而引起內部氣體壓強變化，造成凝露現象和呼吸效應，使機箱內積水，進而造成線路故障及零件銹蝕。

為了有效解決以上問題，提高設備的可靠性，延長其使用壽命，采用防水透氣閥平衡內外氣體壓力，可有效減少機箱內電子元器件腐蝕損壞和故障，大幅減小因凝露現象和呼吸效應產生的積水問題。從而保護機箱內敏感的電子元器件，降低機箱設計制造成本，減少設備故障，使密封機箱具有更好的散熱功效。

防水透氣閥特別適用于在寬溫度、寬濕度、寬高度變化范圍工作的電子設備密封機箱。