露天密封機(jī)箱應(yīng)用防水透氣閥?

暢黎鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

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

2 應(yīng)用情況

為了滿足惡劣的使用環(huán)境要求，露天設(shè)備通常需采用密封機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式。密封機(jī)箱結(jié)構(gòu)的目的是使機(jī)箱內(nèi)部與外界大氣隔離［1］，保護(hù)內(nèi)部電氣和結(jié)構(gòu)免受外部惡劣環(huán)境影響，避免液態(tài)的水進(jìn)入機(jī)箱，盡量減少機(jī)箱內(nèi)部的水蒸氣，對內(nèi)部的元器件起到防水防塵的保護(hù)作用，以提高元器件的可靠性，延長設(shè)備使用壽命。同時(shí)，可以滿足防淋雨及流體污染等環(huán)境適應(yīng)性的要求。

目前密封機(jī)箱主要是通過密封膠條和螺釘緊固連接來實(shí)現(xiàn)完全密閉，一般能達(dá)到IP65及以上防塵防水要求［2］。但往往由于機(jī)箱密封不嚴(yán)密，這種密封結(jié)構(gòu)盡管解決了露天環(huán)境下出現(xiàn)銹蝕等難題，同時(shí)又帶來了新的問題。

在實(shí)際環(huán)境中，由于晝夜交替和四季變化，機(jī)箱內(nèi)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(jī)箱內(nèi)空氣膨脹，密封機(jī)箱內(nèi)空氣無法排出，內(nèi)部氣壓高于外部氣壓，壓力便會積聚在機(jī)箱最薄弱的環(huán)節(jié)，如密封條、連接器和線纜等處。反之，當(dāng)設(shè)備遇到大風(fēng)雨雪等氣候狀況時(shí)，都會引發(fā)溫度急劇下降，從而在機(jī)箱內(nèi)部形成負(fù)壓，此時(shí)，如果外部空氣無法進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)補(bǔ)償，壓力將會同樣施加于機(jī)箱最薄弱處。機(jī)箱內(nèi)氣體反復(fù)熱脹冷縮會使蓋板產(chǎn)生變形，機(jī)箱發(fā)生鼓包現(xiàn)象。

在長期循環(huán)作用下，密封條可能會受到損壞，密封機(jī)箱經(jīng)常會出現(xiàn)微孔和裂縫，降低密封效果，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)機(jī)箱內(nèi)部大量積水，造成機(jī)箱內(nèi)線路故障、零件嚴(yán)重銹蝕，使電子器件失效加速，故障增多，降低設(shè)備的使用壽命。在溫差變化大、濕度大的地區(qū)，尤為嚴(yán)重，如何有效地解決進(jìn)水問題已經(jīng)成為設(shè)計(jì)中迫切需要考慮的問題。

3 原因分析

密封結(jié)構(gòu)會因凝露現(xiàn)象和呼吸效應(yīng)導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部出現(xiàn)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(shè)備帶來很大的破壞性和危害性，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性和壽命。

3.1 凝露現(xiàn)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(dāng)氣溫降低到某一溫度時(shí)，空氣相對濕度增至100%，達(dá)到飽和狀態(tài)，此溫度稱為露點(diǎn)溫度。

當(dāng)局部環(huán)境溫度低于環(huán)境露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣從飽和空氣中分離出來，凝結(jié)成水滴，產(chǎn)生凝露現(xiàn)象［3］。

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

3.2 呼吸效應(yīng)

露天密封機(jī)箱工作環(huán)境惡劣，長期處于高溫、高濕或鹽霧環(huán)境中。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。呼吸效應(yīng)是一種自然現(xiàn)象，是密封機(jī)箱受外界溫度變化影響的必然結(jié)果，它符合熱脹冷縮的基本原理。

密封機(jī)箱內(nèi)的氣體會產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，壓強(qiáng)的變化因溫度變化而變化。理想氣體狀態(tài)方程如下:

式中:P為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體的量；R為氣體常數(shù)；T為氣體的熱力學(xué)溫度。

當(dāng)密封機(jī)箱內(nèi)氣體溫度發(fā)生變化時(shí)，氣壓也隨之變化，其變化量可表示為

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

當(dāng)吸入的潮濕空氣積聚到一定量時(shí)，在露點(diǎn)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(jī)箱內(nèi)形成積水［5］，使電子設(shè)備的失效加速和故障增多。

密封機(jī)箱的呼吸效應(yīng)除了呼吸大氣外［6］，機(jī)箱內(nèi)外部形成的壓力差還可以吸進(jìn)縫隙附近的液體，使內(nèi)部進(jìn)水。隨著外界溫度的變化，會在箱體內(nèi)形成正負(fù)壓力，長時(shí)間的內(nèi)外壓差作用，會使箱體的密封效果變差，同時(shí)產(chǎn)生“呼吸作用”和“吸水效應(yīng)”。特別是當(dāng)夏天突發(fā)暴雨時(shí)，氣溫急劇下降，密封機(jī)箱內(nèi)外氣壓差較大，雨水覆蓋縫隙或小孔，形成吸水效應(yīng)，水就會被吸入機(jī)箱內(nèi)部。作為一個(gè)密閉的機(jī)箱，內(nèi)部的水汽排出將非常困難，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。

遇到夏天突發(fā)暴雨，密封機(jī)箱一次最多可以吸進(jìn)水的體積，相當(dāng)于機(jī)箱本身體積的10%。這種因呼吸效應(yīng)引發(fā)的吸水作用，才是密封機(jī)箱出現(xiàn)小孔或縫隙時(shí)，短時(shí)間內(nèi)大量積水的根本原因。

4 解決方案

對露天密封機(jī)箱的凝露特性進(jìn)行分析，當(dāng)柜內(nèi)濕度大且遇到環(huán)境溫度快速下降時(shí)，極易發(fā)生凝露現(xiàn)象。對于有一定熱量產(chǎn)生的密封機(jī)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(jī)箱的絕對濕度，除了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密封性外，建議使用吸濕劑來除濕。

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

采用透氣孔、迷宮式通道等設(shè)計(jì)方案可以有效平衡內(nèi)外壓力差，從而保護(hù)密封條不受過大的壓力，避免水從密封界面進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部。但這些方案都無法完全阻止水、灰塵、雜質(zhì)和異物從其自身（孔、通道）進(jìn)入，使用中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

以上這些方案都無法完全解決進(jìn)水問題。工程實(shí)踐中，露天密封機(jī)箱可以依據(jù)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(jī)箱，能有效平衡機(jī)箱內(nèi)外氣體壓力，控制由環(huán)境氣壓、空氣溫度變化引起的機(jī)箱內(nèi)外氣壓波動，及時(shí)自動排除密封機(jī)箱內(nèi)的過量氣體，避免造成水從機(jī)箱密封條、線纜等薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，保證密封條的完整性，可以有效解決高濕地區(qū)晝夜溫差大引起的密封設(shè)備內(nèi)的水汽凝結(jié)問題，能夠有效保護(hù)設(shè)備內(nèi)部電子元器件的正常工作，從而提高設(shè)備在露天工作的可靠性。

同時(shí)，機(jī)箱內(nèi)部和外部的氣壓基本平衡，可解決內(nèi)外壓力變化可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)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(dá)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(wǎng)和密封圈組成。其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wǎng)格加強(qiáng)筋再經(jīng)過高熱熔而成，具有數(shù)億個(gè)獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)，這種微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(shù)量級差，讓氣體分子通過，而液體與灰塵無法通過，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)不斷的內(nèi)外氣體交換，促使內(nèi)外氣壓相等，能夠起到平衡密閉機(jī)箱內(nèi)外壓力的作用。通過不斷平衡機(jī)箱內(nèi)部和所處環(huán)境的壓差，允許機(jī)箱體內(nèi)的水汽透過薄膜釋放到外面，而外面的水則無法進(jìn)入機(jī)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(xiàn)象。

聚四氟乙烯被譽(yù)為“塑料王”，是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)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(qiáng)，不需維護(hù)，能在全天候多種區(qū)域苛刻環(huán)境下長期工作。

防水透氣閥并不能改善單次溫降引起的機(jī)箱內(nèi)部氣體凝露，但凝露量很少，并不足以引起設(shè)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(shè)備在工作狀態(tài)下是一個(gè)發(fā)熱體，內(nèi)部一旦形成積水，可通過發(fā)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(jī)箱內(nèi)部的水汽排出機(jī)箱。

防水透氣閥有減少機(jī)箱內(nèi)積水的作用，能夠降低密封機(jī)箱內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，尺寸小巧，一般選用螺紋安裝結(jié)構(gòu)，所以安裝簡單，維護(hù)成本低。

防水透氣閥應(yīng)安裝在設(shè)備不易被磕碰的位置如箱體的底部或側(cè)壁上，避開正面經(jīng)受風(fēng)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(shí)現(xiàn)其透氣、防水、防油、防塵和防鹽霧等功能，減少機(jī)箱密封件的應(yīng)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(zhì)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(dá)-40℃～+120℃。阻燃等級可達(dá)UL 94 V-0。

5.3 關(guān)鍵指標(biāo)的選擇

防水透氣閥主要功能是防水透氣和平衡壓差，其關(guān)鍵性能指標(biāo)是防護(hù)等級和透氣量。

防護(hù)等級主要與閥體生產(chǎn)工藝和透氣膜的防水能力有關(guān)，可以達(dá)到IP65、IP66、IP67、IP68甚至更高的防護(hù)等級。防護(hù)等級的選擇和設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，一般的風(fēng)吹雨淋環(huán)境要求IP65即可，如有浸水要求，則需考慮IP67或更高的防護(hù)等級。

透氣量的選擇主要與機(jī)箱體積、最大溫差等密切相關(guān)。假設(shè)設(shè)備內(nèi)部空氣體積為10L，外部使用環(huán)境最大溫差為從80℃降低到20℃（12min內(nèi)），并且內(nèi)部和外部初始空氣壓力均為1個(gè)大氣壓，即101kPa，并假設(shè)從80℃降低到20℃是一個(gè)均勻降溫的過程，內(nèi)外壓差按1min為時(shí)間單位進(jìn)行積聚，且內(nèi)部空氣壓力在每個(gè)時(shí)間單位開始時(shí)已恢復(fù)至一個(gè)大氣壓。

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

式中:P為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體物質(zhì)的量；R為氣體常數(shù)；T為氣體的熱力學(xué)溫度。

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

假定降溫是一個(gè)勻速過程，則內(nèi)外壓差在1kPa～2 kPa之間（80℃降到75℃和25℃降到20℃產(chǎn)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(guān)系，一般用7 kPa時(shí)的透氣量表示）。實(shí)際使用時(shí)考慮到外界環(huán)境的復(fù)雜性，一般透氣量選擇為理論設(shè)計(jì)值的2倍以上為宜。

6 結(jié)語

露天密封機(jī)箱要求具有良好的可靠性和防水防塵能力。露天密封機(jī)箱因溫度變化而引起內(nèi)部氣體壓強(qiáng)變化，造成凝露現(xiàn)象和呼吸效應(yīng)，使機(jī)箱內(nèi)積水，進(jìn)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(shè)備的可靠性，延長其使用壽命，采用防水透氣閥平衡內(nèi)外氣體壓力，可有效減少機(jī)箱內(nèi)電子元器件腐蝕損壞和故障，大幅減小因凝露現(xiàn)象和呼吸效應(yīng)產(chǎn)生的積水問題。從而保護(hù)機(jī)箱內(nèi)敏感的電子元器件，降低機(jī)箱設(shè)計(jì)制造成本，減少設(shè)備故障，使密封機(jī)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(shè)備密封機(jī)箱。