電子設(shè)備防水密封結(jié)構(gòu)分析及試驗驗證

□ 于浚峰

中國空間技術(shù)研究院503所 北京 100086

電子設(shè)備防水密封結(jié)構(gòu)分析及試驗驗證

□ 于浚峰

中國空間技術(shù)研究院503所 北京 100086

環(huán)境中的溫度變化可導(dǎo)致電子設(shè)備的呼吸效應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部大量積水，其功能會遭到嚴(yán)重破壞。分析了呼吸效應(yīng)的原理，介紹了常用防水結(jié)構(gòu)的特點，對密封結(jié)構(gòu)的特點做了比較，通過試驗得到能夠防止呼吸效應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)形式及不同密封結(jié)構(gòu)的適用環(huán)境。

呼吸效應(yīng) 密封結(jié)構(gòu) 防水試驗

電子設(shè)備的工作環(huán)境是千差萬別的，有的在溫度、濕度適宜的室內(nèi)工作，有的在晝夜溫差大、濕度大的區(qū)域工作。在工程應(yīng)用中，要保證電子設(shè)備正常工作，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中保證腔體密閉，進行外殼防護，防護等級的高低依據(jù)工作環(huán)境而定。在實踐中，經(jīng)常遇到設(shè)備在防水試驗中檢驗合格，但交付用戶使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部有大量的積水，設(shè)備功能受到影響甚至發(fā)生設(shè)備短路現(xiàn)象。通過分析，這種進水現(xiàn)象一般是由于設(shè)備在冷熱交變的惡劣環(huán)境中工作，引起的設(shè)備呼吸效應(yīng)所致。因此，研究不同密封結(jié)構(gòu)的特點，進而找到預(yù)防電子設(shè)備發(fā)生呼吸效應(yīng)的密封方法，并驗證其有效具有非常重要的意義。

1 呼吸效應(yīng)原理

理想氣體狀態(tài)方程為：

式中：P為氣體的壓強；V為氣體的體積；n為氣體的量；R為理想氣體常數(shù)；T為氣體的熱力學(xué)溫度。

由于電子設(shè)備腔體外部沒有氣體的量和體積的限制，所以當(dāng)溫度發(fā)生變化時，壓強幾乎不變，如果設(shè)備的工作環(huán)境近似為地球表面，其所處環(huán)境的氣體壓強近似恒定為1 atm。設(shè)溫度變化之前，腔體內(nèi)氣體的壓強為P1，氣體的量為n1，氣體的溫度為T1；溫度變化之后，腔體內(nèi)氣體的壓強為P2，氣體的量為n2，氣體的溫度為T2，則由式（1）得：

由于結(jié)構(gòu)件剛度相對較高，所以腔體的體積一般不會變化。因此，V1=V2，如果腔體的密封絕對有效，則

氣體的量不變，即n1=n2，則有：

式（4）表明，在絕對密封的腔體內(nèi)部，氣體的壓強變化與溫度變化同步，壓差和溫差同時存在。如果設(shè)備的密封措施不能夠抵抗此時的壓差，則密封將失效。

當(dāng)腔體有微小孔隙時，腔體內(nèi)外氣體發(fā)生流動，使壓強平衡，即P1=P2，則有：

此時腔體內(nèi)部氣體的量與溫度變化成反比，溫度越高，內(nèi)部氣體的量越少，溫度降低，腔內(nèi)氣體的量增加。一年的四季變化，一天的早晚變化，甚至是大功率器件的開機、停機，都會形成溫度的循環(huán)［1］，這就使有微小孔隙的腔體或采用了不能抵御此時壓差的密封結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備發(fā)生了“吸氣”、“吐氣”的呼吸效應(yīng)。

在設(shè)備表面有水覆蓋時，如果外部環(huán)境正處于降溫過程，呼吸效應(yīng)會直接導(dǎo)致孔隙吸水［2］；在氣體濕度大、外部溫度劇烈下降的情況下，腔體內(nèi)氣體中的水分子可能達到露點，其溫度下降并最終趨于與外部溫度相同，但下降速度滯后于腔體外部，在腔體內(nèi)壁上會有水滴凝結(jié)。設(shè)備內(nèi)部吸入或凝結(jié)的水不易排出，會逐漸積累，最終影響設(shè)備使用。

2 常用防水結(jié)構(gòu)分析

2.1 防水結(jié)構(gòu)形式

電子設(shè)備的防水結(jié)構(gòu)可分為以下3種形式：①封閉式方法：橡膠圈密封、焊接密封、膠接密封、灌封等；②開放式方法：預(yù)設(shè)積水排水結(jié)構(gòu)法、通風(fēng)法等；③針對呼吸效應(yīng)的氣壓平衡法：人工肺方法、加裝防水透氣閥方法等。

2.2 防水結(jié)構(gòu)分析

（1）焊接密封可以使腔體內(nèi)部處于氣密封狀態(tài)，密封可靠，但設(shè)備維修性差。

（2）膠接密封操作簡單，但密封膠容易老化，密封可靠性較差且可能影響產(chǎn)品外觀。

（3）灌封方法防水可靠，但影響產(chǎn)品散熱及維修。

（4）開放式的方法由于使產(chǎn)品內(nèi)部不同程度與外界相通，對于接觸的防護減弱，產(chǎn)品易受灰塵異物或生物污染。

（5）人工肺方法對調(diào)節(jié)產(chǎn)品內(nèi)外壓差有效，但增加了產(chǎn)品的復(fù)雜性。

（6）防水透氣閥方法對于預(yù)防呼吸效應(yīng)引發(fā)的產(chǎn)品內(nèi)部積水問題已被一些單位驗證有效，在使用時閥的安裝位置要仔細考慮，避免閥被堵塞失效。

（7）橡膠圈密封方法及其相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)已被大量應(yīng)用在實踐當(dāng)中，其在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上易實現(xiàn)、易裝配。橡膠密封圈具有彈性高、不透水、不透氣、密度低，耐熱、寒、油、酸、堿、壓、磨等特點，它已成為密封結(jié)構(gòu)中最常用甚至是非用不可的密封材料［3］。

3 密封結(jié)構(gòu)的特點比較

橡膠密封圈安裝在產(chǎn)品各層壓接面處，被結(jié)構(gòu)件壓縮發(fā)生變形，形成預(yù)壓力起到密封作用。橡膠密封圈的變形量在30%左右較為適宜，變形量太小，則密封不可靠；變形量太大，對密封的效果增加有限，但會加速橡膠圈的老化損壞。結(jié)構(gòu)件壓接面表面粗糙度的要求為Ra1.6。橡膠密封圈的截面形狀及相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)有很多種，如唇形、方形、圓形、橢圓形、門形、O形、U形、V形、Y形、J形、L形等等［3］，在實踐中均有廣泛應(yīng)用。

▲圖1 密封結(jié)構(gòu)示意圖

本文對圖1中的 （a）、（b）、（c）、（d）4種密封結(jié)構(gòu)進行分析比較。

圖1（a）所示的密封結(jié)構(gòu)能精確控制橡膠圈的變形量，結(jié)構(gòu)簡單，壁厚較薄，但結(jié)構(gòu)的對接面直接面對外界，吸水壓力直接作用在接縫處，密封可靠性一般。圖1（b）為圖1（a）的升級形式，密封圈嵌入密封槽的同時在上下層結(jié)構(gòu)件端面之間形成密封墊，密封可靠性大大增強，但橡膠圈的變形量是受螺釘預(yù)緊力的影響，不能精確控制，并且橡膠圈的外側(cè)裸露在產(chǎn)品表面，影響產(chǎn)品的外觀和橡膠圈的壽命。圖1（c）、（d）上下層結(jié)構(gòu)件外側(cè)有一段套接，避免了吸水壓力直接作用在接縫處，增大進水阻力。圖1（c）克服了圖1（b）的缺點，能精確控制橡膠圈的變形量又不影響產(chǎn)品的外觀。圖1（d）上層結(jié)構(gòu)壓接面具有凸緣，嵌入密封槽內(nèi)，這樣可對進水壓力形成曲折路徑，另外凸緣壓接面積小，易保證表面粗糙度，此密封結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性。圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)的缺點是增加結(jié)構(gòu)壁厚，增大整機質(zhì)量。圖1所有密封結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)卡口既有定位功能又有進一步阻水的功能。

4 工程案例及防水試驗

某型號車載通信定位終端，采用圖1（a）的密封結(jié)構(gòu)，達到了國軍標(biāo)中程序1規(guī)定的降雨和吹雨試驗標(biāo)準(zhǔn)［4］。為進一步驗證產(chǎn)品的防水性能，對車載終端進行浸水試驗，常溫常壓下，水面沒過終端靜置3～4 h后拆

機檢查，內(nèi)部未進水。產(chǎn)品交付用戶，在新疆使用6個月后，終端無法繼續(xù)工作，內(nèi)部發(fā)現(xiàn)積水，見圖2產(chǎn)品內(nèi)部腐蝕情況。

車載終端通過了防水試驗，但在實際使用后發(fā)生內(nèi)部積水，其原因在于產(chǎn)品在晝夜溫差大的新疆工作，是使用環(huán)境引起的設(shè)備呼吸效應(yīng)。產(chǎn)品發(fā)生吸水現(xiàn)象，主要是發(fā)生在降溫過程，在實際使用中這種工況是可能的，例如，夏季暴曬后突降暴雨。為模擬此類工況，進行升溫沖水試驗：把產(chǎn)品放入高低溫試驗箱 （銀河KWGD6025Ⅱ）中進行升溫，將溫度設(shè)定到65℃（根據(jù)設(shè)備實際戶外使用溫度并留有余量），保溫1h，由式（4）得到：此時產(chǎn)品的內(nèi)外壓差約0.2 atm。然后將設(shè)備放到噴頭下用冷水沖淋（此方法模擬了產(chǎn)品處于降溫過程中，并且表面覆蓋水流的工況）。重復(fù)升溫沖水3次，拆開產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有積水。試驗驗證了降溫引起的壓差可使產(chǎn)品內(nèi)部進水，因此圖1（a）的密封結(jié)構(gòu)不能抵御此壓差，達不到有效的密封。

對采用圖1（b）、（c）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進行同樣的升溫沖水試驗，產(chǎn)品內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)積水。試驗結(jié)果說明圖1（b）、圖1（c）的結(jié)構(gòu)可以有效防止由溫度變化而引起的0.2 atm壓差的呼吸效應(yīng)。

對采用圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品用精密產(chǎn)品防水測試儀進行測試。將產(chǎn)品放置在防水測試儀儲水筒內(nèi)臺面上，臺面升至水面上方，扣合筒蓋，對儲水筒進行充壓，將充氣壓強調(diào)至0.9 atm，留有充分的安全余量 （一般地面應(yīng)用產(chǎn)品的使用環(huán)境溫差不會超過100℃，由式（4）可知，當(dāng)溫差為100℃時，壓差為0.366 atm），充壓穩(wěn)定后保壓，再將臺面降至水下，使產(chǎn)品沒入水中，穩(wěn)定后放壓，觀察產(chǎn)品結(jié)構(gòu)接縫處是否有氣泡出現(xiàn)，如有氣泡，說明產(chǎn)品的密封不能抵御所加載的壓強。在對圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進行的防水測試中，未見氣泡出現(xiàn)。試驗說明圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)能抵御0.9 atm的壓差，可以滿足地面應(yīng)用設(shè)備防止呼吸效應(yīng)的要求。

▲圖2 產(chǎn)品內(nèi)部積水腐蝕

▲圖3 升溫沖水試驗

▲圖4 防水耐壓測試

5 結(jié)論

圖1（a）所示的密封結(jié)構(gòu)對于在常溫常壓下使用的產(chǎn)品，其防水功能是有效的，但在溫度變化大有壓差的情況下，其密封可能會失效。圖1（b）、（c）、（d）可以預(yù)防地面應(yīng)用設(shè)備的呼吸效應(yīng)，對產(chǎn)品提供有效的密封防護。圖1（b）能抵御至少0.2 atm的壓差，圖1（c）、圖1（d）能抵御至少0.9 atm的壓差。對于已經(jīng)采用了圖1（a）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，在出現(xiàn)呼吸效應(yīng)后，綜合考慮產(chǎn)品的維修性、經(jīng)濟性，可改用圖1（b）、（c）、（d）形式解決問題；對于新設(shè)計的產(chǎn)品，應(yīng)考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境，合理選擇密封結(jié)構(gòu)。

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（編輯 美 華）

TP271.4；TB42

A

1000-4998（2015）10-0056-03

2015年4月