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【通用】确定防水透气解决方案时要考虑的三个因素

2022-05-01

1 技术背景

在新产品和外壳的开发过程中,保证始终如一的适当防水透气性逐渐成为设计时的关键考量因素。 需要防止液体和固体污染物侵入外壳,同时又能允许气体自由通过这些区域,因此意味着,防水透气性在保持设备良好运行状态中起着关键作用。

精心设计的外壳保护防水透气产品(EPV)可有效保护敏感设备,还可以帮助延长外壳中所使用垫圈和密封件的使用寿命。

某种防水透气解决方案规格合适与否,通常取决于三个因素

  1)异物防护等级

 2)透气量

 3)安装方法。

三者都很重要,但三者中任何一个因素的重要性都可能会变的相对更高,具体取决于应用、运行条件和其他因素。

为了实现极佳防水透气解决方案,需要清楚了解每个因素,并采用集成式透气过滤方法来确定每个因素的相对重要性。集成式防水透气解决方案(IVS)可以平衡这些因素,以确定每种情况下的合理解决方案。

 

2 防护等级(IP)

在评估透气解决方案时,要考虑的关键参数之一是防护等级(IP)。 由国际电工委员会(IEC)标准60529定义的IP等级是一个两位的数字,用以表明密封外壳防止异物和水分侵入的有效性。 第一个数字表示防的异物(如移动零件、碎屑和灰尘)。 第二个数字表示防潮等级,如防水滴、喷水和浸没。 数字越高表示防护等级越高。例如,只对人手尺寸和垂直落水的物体提供防护的密封外壳的IP等级为 11。 能够对灰尘和高温高压喷水提供全面防护的外壳所具有的IP等级应是 69k。 表1显示了IP等级的各个级别。

表1: 防护(IP)等级

IP
第一位(入口防护的固体物体)
第二位(防水)
0
无防护
无防护
1
超过50mm毫米的物体(例如手,较大的工具)
垂直落下的水滴或冷凝水
2
超过12.5mm毫米的物体(例如手指,较小的工具)
箱子与垂直方向倾斜15度时,掉落的水滴
3
超过2.5mm毫米的物体(例如电线)
即使箱子与垂直方向倾斜至60度时,从任何方向喷洒的水
4
超过1mm毫米的物体(例如细线)
任何方向泼来的水
5
针对灰尘的有限入口防护(无有害聚积)
任何方向喷射的低压水;有限入口防护
6
彻底防止灰尘侵入
任何方向喷射的高压水;有限入口防护
7
N/A
短时间浸入水中
8
N/A
长时间持久浸入水中
9K
N/A
近距离的高压高温喷水

利用IP等级可将防水透气特性与产品需求完美匹配。 例如,图1中所示的汽车照明系统可能会暴露在灰尘和湿气中,但不一定会浸没在水中,对应的IP等级为55或66。不太可能暴露在灰尘和水中的消费类电子设备对应的IP等级可能为44。 如果电子设备可能会承接更多的灰尘,还可能浸入水中,则IP等级可能会升高到67或68。

 

 

根据运行条件和成本因素,可以制定各种IP组合。 汽车、医疗、包装和消费电子等多种应用提供了必须在IP要求中予以考虑的独特环境。 而且,更高的 防护等级 并不总能带来更好的解决方案;更高的防水等级可能会影响透气量。 

 

3 透气量要求

除IP等级外,透气量要求在防水透气产品选择过程中至关重要。 防水透气产品通常设计于平衡密封外壳内部和外部的压力。较高速的透气量能实现较高的平衡速度和较低的最大压差。随着系统中压力的增加,最薄弱的环节会受到影响,而设计合理的防水透气产品可以抵消敏感部件的压力并保持适当的透气量。诸如汽车中传感器之类的设备就严重依赖透气系统来平衡正常操作的压力。确定透气量要求时要考虑的因素包括排空机壳空气的总时间和壳内的工作压力。 合理的透气有助于更好地减少机箱内外的压差,较高速的透气量防水透气产品可减少系统经历的散气时间和压差。

压力变化的速度也应该考虑。 由于环境温度、日光、电子产生的热量或湿气暴露程度的变化,密封外壳内部的温度变化通常会导致压力变化。在某些应用中,可因为密封外壳压缩、高度变化、浸没、密封外壳内的化学反应以及其他因素而直接改变压力。

随着压力变化率的增加,需提供较高的透气量。 较高的透气量还能带来其他好处,例如改善密封外壳内电子传感器的响应时间。

虽然透气量条件可能至关重要,但它们需要与防护等级保持平衡。 随着异物防护等级的提高,透气量可能受到影响,反之亦然。 合理的防水透气解决方案可以找到理想透气量和防水特性之间的“平衡点”,如图2所示。

 

4 安装方法

另一个需要考虑的关键因素是安装方法。 即使具有适当的IP等级和透气量规格,如果防水透气产品未正确安装,防水透气效果也会受到影响。 常见的外壳保护防水透气产品安装方法包括: 螺纹式、卡扣式、压入式以及焊接式(使用加热或超声波技术)。

这些安装方法的示例如图4中所示。

 

每种安装方法在特定情况下均有其优点。 螺纹式透气阀通常可以集成到现有设备中,比如须具备防水透气性的保护箱、灯具外壳、电器和其他外壳。

卡扣式透气阀也可以集成到现有设备中,并且在需要快速安装时很有用。 通常用于空间有限的电子设备中的某些压入式透气阀,由滤膜以及用于将滤芯固定到设备上的压敏式粘合剂环组成。

 

在某些情况下,如图5所示,可以将焊接式外壳保护防水透气膜直接装入透气组件中的外壳中。

此方法通常用于以下类型的设备:粘合剂不适用;存在化学不相容性或极端温度条件;或者,要求对滤芯通道进行物理保护。 此方法也可以简化将防水透气产品安装到设备上的过程。

在这类情况下,通常结合使用焊接方式以及注塑成型的直接粘合方式来安装防水透气材料。

评估安装方法时要考虑的因素包括:防水透气产品所连接材料的成分、化学相容性、运行条件(如温度和压力)以及安装条件。

无论采用哪种安装方法,集成式透气过滤方法通常都是极有效的解决方案。

如果防水透气产品供应商可以提供集成式透气过滤解决方案,而不需要单独安装一个防水透气产品,则设计师和制造商只需专注于产品需求而非安装方法即可。如果防水透气产品安装正确且使用寿命更长,就能实现长期的成本效益和效率优势。

 

5 统筹考量

在评估防水透气的三个关键因素时,产品设计师和制造商需要考虑所有因素,并确定哪些因素对特定情况最为重要。 IP等级、透气量和安装方法都可能起作用,其中一个或多个因素在某些情况下会承载相对更多的比重。

防水透气膜和特性也可以纳入在考量范围中。

 

专有特性可能包括:

  • 1)疏油-排斥油
  • 2)疏水-排斥水
  • 3)高效-有效去除气流中的颗粒
  • 4)超清洁-保持外壳清洁
  • 5)吸附剂选项-控制气味、挥发性有机物、蒸气和气体

考虑到各种因素,集成式透气过滤法是成功配置防水透气解决方案的关键。

防水透气并非一成不变的过程,这些因素可能在不同的项目中扮演不同的角色。

在系统设计阶段越早实施甄选过程,且越早进行关键因素评估,拥有的选择就越多,成功的可能性也就越大。

(引自-唐纳森官方网站-作者:Jake Sanders和Ashley Merrill,唐纳森集成式防水透气解决方案团队)

 

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