eng
Выпуск #8/2010
Гонни Ван Зантвурт.
Правильный выбор вентиляционного клапана – надежные корпуса
Правильный выбор вентиляционного клапана – надежные корпуса
Просмотры: 3157
Правильно выбранный вентиляционный клапан способен предотвратить коррозию и сбои в работе электронных устройств. Даже водонепроницаемые корпуса не гарантируют отсутствие у чувствительных электронных устройств проблем, которые могут возникнуть в запыленной, загрязненной и влажной среде, особенно если приборы работают в неблагоприятных внешних условиях. Поврежденные электронные приборы в герметизированных корпусах – не редкость. во многих отраслях промышленности. И по мере того, как сложность электронных приборов возрастает, эта проблема усугубляется.
Большинство инженеров пытаются решить ее за счет обеспечения как можно более высокой водонепроницаемости. Для достижения требуемой герметичности они уплотняют корпус с помощью прочных О-образных колец или специальных уплотняющих прокладок, тем самым увеличивая толщину корпуса с тем, чтобы минимизировать перемещения вокруг герметика, а затем укрепляют О-образные кольца и уплотняющие прокладки большим числом болтов.
Но все эти меры не устраняют истинных причин снижения герметичности — изменения давления внутри самого корпуса. Это изменение давления возникают вследствие резких перепадов температуры в дневное и ночное время и являются причиной ухудшения герметичности в долгосрочной перспективе. Подобные проблемы могут также возникнуть в связи с изменением широтности во время транспортировки прибора, а также при колебаниях внешнего атмосферного давления.
Перепады давления
Изменение температуры, приводящее к изменению давления внутри корпуса, может быть обусловлено различными факторами. Во время работы электронные приборы генерируют тепло, что приводит к повышению температуры внутри корпуса и, соответственно, к увеличению давления в нем. Резкое снижение внешней температуры может вызвать уменьшение давления в корпусе до создания вакуума в 100 мбар (-1,4 манометрического давления в фунтах на квадратный дюйм). С течением времени эти различия в давлении способны оказать существенную нагрузку на уплотняющие материалы, в результате чего они разрушаются, и внутрь корпуса поступает воздух. Влага, попавшая в такой "герметизированный" корпус с поврежденным уплотнением, не может выйти наружу и вызывает коррозию чувствительных электронных приборов.
Другой фактор, влияющий на давление внутри корпуса, – изменение широты и высоты нахождения прибора относительно уровня моря. Большинство приборов, транспортируемых по воздуху, хранятся в негерметизированных грузовых контейнерах. В результате при взлете и посадке самолета давление в контейнере быстро и существенно изменяется. Если изменение высоты не компенсируется выравнивающим давление уплотнительным материалом, то в результате образующегося в контейнере вакуума, его становится трудно или просто невозможно открыть. Вакуумные сэндвич-структуры, такие как двойные стеклопакеты, также могут быть повреждены при резком изменении давления во время воздушных перевозок.
Стабильность давления
На давление внутри корпуса влияют разнообразные и сложные переменные факторы – внешняя температура, широта высота нахождения над уровнем моря, а также тепло, выделяемое самими электронными приборами. Очевидное решение задачи стабилизации давления – выравнивание значений внешнего и внутреннего давления в корпусе с тем, чтобы уменьшить нагрузку на уплотняющий материал. Но как это сделать? Если просто просверлить отверстие в корпусе и обеспечить свободный приток и отток воздуха для выравнивания давления, то в первую очередь будет нарушен сам принцип герметизации корпуса. Кроме того, наличие отверстия приведет к тому, что в корпус попадут различные загрязняющие вещества, например, вода, грязь, насекомые, соль и многие другие. Задача заключается в том, чтобы создать корпус, свободно пропускающий воздух, но препятствующий проникновению в него загрязняющих веществ.
Защитные вентиляционные клапаны GORE обеспечивают постоянный воздухообмен и предотвращают попадание загрязняющих веществ в корпус. Клапаны сделаны с применением мембраны из экспандированного политетрафторэтилена ПТФЭ (expanded polytetrafluorethylene, ePTFE), пористая микроструктура которого позволяет воздуху как свободно проникать в корпус, так и покидать его. В то же время благодаря малому поверхностному натяжению мембрана является гидрофобной или водонепроницаемой (рис.1). Это значит, что вода (в виде жидкости) не задерживается на ее поверхности, а отталкивается и стекает с нее. И хотя пористая мембрана позволяет влаге в виде пара проникать в корпус, она также легко обеспечивает удаление этого водяного пара, минимизируя конденсацию влаги и коррозию корпуса. Для корпусов, на которые могут воздействовать другие жидкости, кроме воды, применяются мембраны из ПТФЭ, которые отталкивают жидкости с малым поверхностным натяжением, такие как нефтепродукты, моющие средства и алкоголь.
Выбор правильной мембраны
Воздушные клапаны могут иметь различную форму и размер (рис.2). Эффективность действия клапана зависит от множества переменных величин, в том числе объема свободного пространства внутри корпуса, диапазона колебаний температур, которым подвергается корпус, и требований IP-системы (классификации степеней защиты оболочки электрооборудования от проникновения частиц и влаги в соответствии с международным стандартом МЭК 60529). Степени IP-защиты определяют, какое давление воды может выдержать корпус и, следовательно, прочность мембраны.
Объем свободного пространства корпуса, например 20, 50 или 80% определяет объем воздуха внутри корпуса. Чем больше свободного пространства, тем больше в корпусе объем вакуума, который образуется при изменении давления. Что касается температуры, то самой важной характеристикой является скорость ее изменения. Чем быстрее изменяется температура, тем больше давление на уплотнитель. Следовательно, резкий перепад температуры играет более существенную роль, чем ее постепенное изменение (рис.3). Так, изменение температуры на 30°С в течение 3 мин приводит к образованию большего объема вакуума в корпусе, чем изменение температуры на 60°С в течение часа.
Корпуса, таких приборов, как светильники уличного освещения, кожухи телекоммуникационного оборудования и аккумуляторы, часто очищают с помощью сильных моющих средств. От состава используемого моющего средства зависит выбор материала мембраны с точки зрения его химической стойкости, например, выбор ПТФЭ-мембраны. Метод очистки корпуса также определяет и необходимую степень IP-защиты. Например, дозированная очистка требует степени защиты IP 66, а при очистке с помощью пара под высоким давлением – IP 69k.
Недавно компания Gore получила запрос от инженера, который купил корпуса для защиты чувствительных приборов отслеживания перемещений животных. Перед покупкой он проверил их на соответствие требуемой степени IP-защиты. Корпуса были размещены на деревьях. Менее чем за три месяца в них появились трещины, через которые начала проникать влага, в результате чего нарушилась точность показаний защищаемой ими электроники. Инженер хотел восстановить водонепроницаемость, не снимая корпуса с дерева, и специалисты компании Gore рекомендовали ему использовать клапан, который можно установить, просверлив отверстие в корпусе и ввинтив его в это отверстие наподобие болта.
Другой запрос пришел от компании, выпускающей уличные светодиодные светильники. Конструктор светильников нуждался в корпусе, обеспечивающим срок службы 20–25 лет при степени защиты IP 67. Компания разрабатывала светильник, выполненный на основе самых современных светодиодов, но не требующий большого технического обслуживания и ремонта. Светодиоды монтировались на алюминиевой охлаждающей подложке, крышка изготавливалась из чистого прозрачного плексигласа, чтобы обеспечить максимальное пропускание света. Таким образом, компании Gore нужно было решить две проблемы. Необходимо было избежать потери герметичности уплотнительного материала в течение длительного периода эксплуатации светильника, т.е. предусмотреть возможность выравнивания давления внутри корпуса. Кроме того, требовалось предотвратить конденсацию влаги на плексигласе. И здесь правильным решением была установка защелкивающегося клапана с мембраной, пропускающей большие объемы воздуха. Специалистам компании удалось добиться выранивания разницы давления внешней среды и внутри лампы при ее включении и нагреве до температуры 40°С в течение 10 мин, а также предотвратить образование конденсата в корпусе, наблюдаемое после выключения лампы.
Но все эти меры не устраняют истинных причин снижения герметичности — изменения давления внутри самого корпуса. Это изменение давления возникают вследствие резких перепадов температуры в дневное и ночное время и являются причиной ухудшения герметичности в долгосрочной перспективе. Подобные проблемы могут также возникнуть в связи с изменением широтности во время транспортировки прибора, а также при колебаниях внешнего атмосферного давления.
Перепады давления
Изменение температуры, приводящее к изменению давления внутри корпуса, может быть обусловлено различными факторами. Во время работы электронные приборы генерируют тепло, что приводит к повышению температуры внутри корпуса и, соответственно, к увеличению давления в нем. Резкое снижение внешней температуры может вызвать уменьшение давления в корпусе до создания вакуума в 100 мбар (-1,4 манометрического давления в фунтах на квадратный дюйм). С течением времени эти различия в давлении способны оказать существенную нагрузку на уплотняющие материалы, в результате чего они разрушаются, и внутрь корпуса поступает воздух. Влага, попавшая в такой "герметизированный" корпус с поврежденным уплотнением, не может выйти наружу и вызывает коррозию чувствительных электронных приборов.
Другой фактор, влияющий на давление внутри корпуса, – изменение широты и высоты нахождения прибора относительно уровня моря. Большинство приборов, транспортируемых по воздуху, хранятся в негерметизированных грузовых контейнерах. В результате при взлете и посадке самолета давление в контейнере быстро и существенно изменяется. Если изменение высоты не компенсируется выравнивающим давление уплотнительным материалом, то в результате образующегося в контейнере вакуума, его становится трудно или просто невозможно открыть. Вакуумные сэндвич-структуры, такие как двойные стеклопакеты, также могут быть повреждены при резком изменении давления во время воздушных перевозок.
Стабильность давления
На давление внутри корпуса влияют разнообразные и сложные переменные факторы – внешняя температура, широта высота нахождения над уровнем моря, а также тепло, выделяемое самими электронными приборами. Очевидное решение задачи стабилизации давления – выравнивание значений внешнего и внутреннего давления в корпусе с тем, чтобы уменьшить нагрузку на уплотняющий материал. Но как это сделать? Если просто просверлить отверстие в корпусе и обеспечить свободный приток и отток воздуха для выравнивания давления, то в первую очередь будет нарушен сам принцип герметизации корпуса. Кроме того, наличие отверстия приведет к тому, что в корпус попадут различные загрязняющие вещества, например, вода, грязь, насекомые, соль и многие другие. Задача заключается в том, чтобы создать корпус, свободно пропускающий воздух, но препятствующий проникновению в него загрязняющих веществ.
Защитные вентиляционные клапаны GORE обеспечивают постоянный воздухообмен и предотвращают попадание загрязняющих веществ в корпус. Клапаны сделаны с применением мембраны из экспандированного политетрафторэтилена ПТФЭ (expanded polytetrafluorethylene, ePTFE), пористая микроструктура которого позволяет воздуху как свободно проникать в корпус, так и покидать его. В то же время благодаря малому поверхностному натяжению мембрана является гидрофобной или водонепроницаемой (рис.1). Это значит, что вода (в виде жидкости) не задерживается на ее поверхности, а отталкивается и стекает с нее. И хотя пористая мембрана позволяет влаге в виде пара проникать в корпус, она также легко обеспечивает удаление этого водяного пара, минимизируя конденсацию влаги и коррозию корпуса. Для корпусов, на которые могут воздействовать другие жидкости, кроме воды, применяются мембраны из ПТФЭ, которые отталкивают жидкости с малым поверхностным натяжением, такие как нефтепродукты, моющие средства и алкоголь.
Выбор правильной мембраны
Воздушные клапаны могут иметь различную форму и размер (рис.2). Эффективность действия клапана зависит от множества переменных величин, в том числе объема свободного пространства внутри корпуса, диапазона колебаний температур, которым подвергается корпус, и требований IP-системы (классификации степеней защиты оболочки электрооборудования от проникновения частиц и влаги в соответствии с международным стандартом МЭК 60529). Степени IP-защиты определяют, какое давление воды может выдержать корпус и, следовательно, прочность мембраны.
Объем свободного пространства корпуса, например 20, 50 или 80% определяет объем воздуха внутри корпуса. Чем больше свободного пространства, тем больше в корпусе объем вакуума, который образуется при изменении давления. Что касается температуры, то самой важной характеристикой является скорость ее изменения. Чем быстрее изменяется температура, тем больше давление на уплотнитель. Следовательно, резкий перепад температуры играет более существенную роль, чем ее постепенное изменение (рис.3). Так, изменение температуры на 30°С в течение 3 мин приводит к образованию большего объема вакуума в корпусе, чем изменение температуры на 60°С в течение часа.
Корпуса, таких приборов, как светильники уличного освещения, кожухи телекоммуникационного оборудования и аккумуляторы, часто очищают с помощью сильных моющих средств. От состава используемого моющего средства зависит выбор материала мембраны с точки зрения его химической стойкости, например, выбор ПТФЭ-мембраны. Метод очистки корпуса также определяет и необходимую степень IP-защиты. Например, дозированная очистка требует степени защиты IP 66, а при очистке с помощью пара под высоким давлением – IP 69k.
Недавно компания Gore получила запрос от инженера, который купил корпуса для защиты чувствительных приборов отслеживания перемещений животных. Перед покупкой он проверил их на соответствие требуемой степени IP-защиты. Корпуса были размещены на деревьях. Менее чем за три месяца в них появились трещины, через которые начала проникать влага, в результате чего нарушилась точность показаний защищаемой ими электроники. Инженер хотел восстановить водонепроницаемость, не снимая корпуса с дерева, и специалисты компании Gore рекомендовали ему использовать клапан, который можно установить, просверлив отверстие в корпусе и ввинтив его в это отверстие наподобие болта.
Другой запрос пришел от компании, выпускающей уличные светодиодные светильники. Конструктор светильников нуждался в корпусе, обеспечивающим срок службы 20–25 лет при степени защиты IP 67. Компания разрабатывала светильник, выполненный на основе самых современных светодиодов, но не требующий большого технического обслуживания и ремонта. Светодиоды монтировались на алюминиевой охлаждающей подложке, крышка изготавливалась из чистого прозрачного плексигласа, чтобы обеспечить максимальное пропускание света. Таким образом, компании Gore нужно было решить две проблемы. Необходимо было избежать потери герметичности уплотнительного материала в течение длительного периода эксплуатации светильника, т.е. предусмотреть возможность выравнивания давления внутри корпуса. Кроме того, требовалось предотвратить конденсацию влаги на плексигласе. И здесь правильным решением была установка защелкивающегося клапана с мембраной, пропускающей большие объемы воздуха. Специалистам компании удалось добиться выранивания разницы давления внешней среды и внутри лампы при ее включении и нагреве до температуры 40°С в течение 10 мин, а также предотвратить образование конденсата в корпусе, наблюдаемое после выключения лампы.
Отзывы читателей
