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【Venting Solution】选择合适的通风口以延长汽车零部件的使用寿命(电子设备为什么要用防水透气膜?)

2020-03-24

作者-Robert Lavertu—-通风可保护敏感电子设备免受压力差的影响,以确保在恶劣环境中的可靠性能。

Robert Lavertu是 WL Gore & Associates Inc. 的产品专家。他负责 Gore Automotive 产品在北美和南美市场的当前销售和增长。他拥有马里兰大学罗伯特 H. 史密斯商学院的 MBA 学位和加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的工程学硕士学位 

 

在当今的汽车行业中,随着电动部件取代更多的机械部件以及驾驶员辅助计划变得更加普遍,车辆中内置的电子元件数量正在迅速增长。这种转变迫使汽车制造商和供应商寻找有效的方法来保护电子元件免受恶劣污染物的影响,并确保在车辆的整个生命周期内具有可靠的性能。

车辆中的压缩机、泵、电机、控制单元和传感器等电子元件会暴露在快速的温度波动中。例如,当车辆运行时,电子元件会发热。然后,当它们接触到来自道路或洗车场的冷喷雾时,它们会很快冷却下来。

这些温度波动会在外壳内产生明显的真空。因此,外壳密封可能会受到损害,使污垢颗粒和液体进入并腐蚀组件,最终导致它们发生故障,从而增加保修问题和维修成本。

电动汽车的一个主要挑战是高性能电子设备和电池的热管理,因为它们需要在一定的温度范围内运行才能达到最佳性能。这些部件在车辆行驶时会变得非常热,因此经常使用液体来保持它们的凉爽。这会导致组件内部出现明显的温差,从而在外壳的最冷点形成冷凝水,从而导致腐蚀或短路。

由于外壳的尺寸,使大型电池内部的温度和压力均衡更加困难。例如,将车辆从温暖的车库驶出进入寒冷的天气会产生内部真空,产生每平方米 500 公斤的负压。轻巧的外壳几乎无法承受这种压力。即使是很小的温度波动也会对外壳施加足够的压力,从而导致变形。

平衡压力的最简单方法是在外壳上钻孔,让空气自由进出。然而,这使得液体和微粒很容易进入外壳并损害电子设备,导致它们发生故障。

工程师有多种方法来尝试提高密封外壳的可靠性。一些工程师使用一种称为灌封的技术,通过消除外壳内部的自由空间,在组件周围创建一个完美密封的系统。但是,这会使组件显着变重,增加了车辆的重量,并且如果电子设备出现故障,则无法重新打开和维修。

另一种方法是密封外壳,这样压力就不会损害密封。然而,该系统的缺点是外壳必须能够承受密封过程,这导致更昂贵、更重的组件无法重新打开进行维护或修理。最常见的解决方案是在更耐用的外壳中安装更坚固的 O 形圈或垫圈,同时增加螺栓的数量以保持更耐用的密封。

这些技术不能保证敏感的电子设备能够长期受到保护,免受恶劣环境(例如灰尘、污垢、水和汽车液体)的影响,因为它们没有解决故障的根本原因——压差。

 

排气以提高可靠性和耐用性

将通风口结合到外壳中可以减少影响组件完整性的压差。在不通风的外壳中,低至 7 千帕 (kPa) 的压力可能会导致密封在几个温度循环后失效。通风外壳可平衡压力并防止密封泄漏(图 1)。这些通风口采用透气膜制成,可平衡外壳内的压力,同时防止液体和污垢颗粒进入。

(图 1)

1. 密封外壳内不断形成负压

在不通风的外壳中,低至 7 kPa 的压力可能会导致密封件在几个温度循环后失效。通风外壳可平衡压力并避免密封泄漏。

由于其独特的微观结构,在汽车通风产品中使用膨体聚四氟乙烯 (ePTFE) 作为膜。ePTFE 专门设计用于产生非常细的孔,其中节点由原纤维互连(图 2)

(图 2)

2. 膨体聚四氟乙烯(ePTFE)

由于其独特的微观结构可用作汽车通风产品中的膜。它可以经过特殊设计以产生非常细的孔,其中节点通过原纤维相互连接。(图 2)

由于其低表面张力,这种材料具有极强的疏水性(防水),这意味着表面上的水滴无法穿透膜结构。该膜也是疏油的(耐油-需经过疏油改性)。膨体 PTFE 的拒油性能对汽车应用尤为重要,因为电子元件很可能会与机油、清洁剂或其他汽车液体接触。

膨体聚四氟乙烯(ePTFE)的节点通过原纤维相互连接,形成的孔径在0.1~10μm之间。其中水蒸气的粒径在0.0004μm左右,其可以在ePTFE微孔中,跟随压差的变化进入或者外出;而液态水(雨水、雾气、生活用水)、粉尘、颗粒物、花粉等的平均粒径均超过20μm以上,因此,ePTFE微孔可以阻隔这些物质进入到另外一侧(图 3)

(图 3)

此外,ePTFE 可承受 –150°C 至 240°C 的温度范围。直到最近,电子外壳的设计才能承受高达 125°C 的温度。然而,向更小、高性能发动机和电动汽车技术发展的趋势已将此阈值推高至 150°C 以上。

 

气流和进水压力

气流和进水压力是决定膜性能的两个基本特征。气流描述了在给定的压差下,在给定的时间段内有多少空气可以通过膜(即,平衡密封组件内的压差需要多长时间)。进水压力 (WEP) 是膜在泄漏之前必须能够承受的最小静水压力。

诸如膜的孔径等因素会影响这两个参数,因此排气供应商必须为单个应用确定气流和进水压力的理想组合。电子元件越来越紧凑的趋势意味着通风口也必须更小。这反过来需要更大的每个膜表面积的气流,从而导致更低的进水压力。

 

测试以确保持久性能

在其全球测试设施中,戈尔验证其产品能够满足他们在路上遇到的现实挑战,以确保排气解决方案的可靠性并延长组件的使用寿命。具体测试取决于电子元件及其将面临的挑战类型。例如,乘客舱内的传感器所面临的挑战与雨刮器电机所面临的挑战不同。一些更常见的测试包括入口保护、耐化学性和耐温性。

通常,一个完整的系统会根据国际电工委员会 (IEC) 协议 IEC 60529 进行测试,以确定其对固体和液体的防护等级。防护等级由两位数 (IPXY) 定义,取决于所进行的测试类型。第一个数字 (X) 表示防止固体异物进入的防护等级。第二个数字 (Y) 表示防止液体进入的防护等级(表 1)

(表 1)

例如,IPX9k 显示了通风外壳在暴露于蒸汽喷射时保持防水的程度。IPX9k 测试在测试室中进行,其中通风外壳以 0、30、60 和 90 度的角度从 100 到 150 毫米的距离暴露在蒸汽射流中。水流量保持在每分钟 14 至 16 升 (l/min) 之间,水压保持在 8000 至 10,000 kPa 之间,温度恒定在 80°C。

Gore 还遵循 ISO 16750-5 测试其通风口耐受汽车环境中常见的化学品和液体的能力(表 2)。测试按照以下两种协议之一进行:通风口在室温(21 至 23°C)下暴露在液体中 24 小时,或者在 100°C 的烘箱中加热 96 小时。在测试之前和之后测量气流和进水压力。要通过测试,进水压力 (WEP) 和气流都必须保持在 Gore 80 kPa 的严格规范内,这超出了大多数汽车标准的要求。

(表 2)

此外,戈尔遵循 ISO 16750-4 协议来测试其通风口承受极端温度的能力。在耐温测试中,通风口在最高 150°C 的温度下暴露 2000 小时或在 –40°C 的最低温度下暴露 1000 小时。

在冰扣测试中,排气口被放置在密封的外壳中,并在温度介于 80°C 和 120°C 之间的烤箱中加热 40 到 60 分钟。然后通过将外壳放入含有 5% 氯化钠的冰水中,将外壳快速冷却到 0°C 到 4°C 之间,模拟电子外壳在冬季可能遇到的盐水。该过程重复 10 到 20 次,并在测试前后测量透气性能。

 

不同应用的排气

电子元件的种类繁多,包括电子控制单元 (ECU)、电机、传感器、特殊闩锁、雷达系统、遥控钥匙等。选择适合独特应用及其要求的正确通风口至关重要。可能影响此决定的变量包括外壳的大小、类型和厚度;通风口位置;和安装方法。

戈尔与客户密切合作,评估应用的独特挑战并推荐最佳排气解决方案。其应用工程师还与客户的生产团队合作,以确定最佳集成方法,无论是使用手动、自动还是焊接选项。

粘性通风口适用于手动或自动安装。它们涂有高性能粘合剂,可牢固地粘附在各种金属和塑料上。持久的粘合剂可以承受恶劣的条件。这些通风口适用于汽车部件,如汽车灯,因为它们通过允许湿气从部件中逸出同时阻止灰尘、污垢和液体污染物的进入来减少冷凝。对于电子元件,压力平衡也很关键。将这些优点与它们的低调和易于安装相结合,使粘性通风口成为引擎盖下 ECU 以及混合动力和电动汽车电池等应用的可行选择。

卡扣式通风口可以承受最具挑战性的环境条件,并且易于安装。作为塑料注射成型工艺的一部分,通过将膜直接集成到通风口中制造,它们可以通过简单地将它们卡入外壳开口中的位置来连接。这个过程可以保护膜免受机械负载的影响,而无需将昂贵且复杂的保护壁集成到外壳中。此外,集成通风口不需要特殊的机器或合格的专家。通过“即插即用”方法将通风口简单地插入外壳中。

全膜切割通风口为暴露在高温和强化学物质中的塑料外壳提供了持久、可靠的解决方案。它们有不同的材料和尺寸可供选择,以满足应用的特定要求,它们使用超声波焊接进行连接。在焊缝处,一小部分外壳材料熔化并流入膜的多孔结构中,确保接头密封牢固。此过程不会损害膜,因为 ePTFE 的熔点远高于焊接温度。焊接过程可能很复杂,并且需要专门的工具。此外,必须将墙壁集成到外壳中,以保护通风口免受蒸汽喷射和机械负载的影响。