电子设备防水密封结构分析及试验验证

□ 于浚峰

中国空间技术研究院503所 北京 100086

电子设备防水密封结构分析及试验验证

□ 于浚峰

中国空间技术研究院503所 北京 100086

环境中的温度变化可导致电子设备的呼吸效应，导致设备内部大量积水，其功能会遭到严重破坏。分析了呼吸效应的原理，介绍了常用防水结构的特点，对密封结构的特点做了比较，通过试验得到能够防止呼吸效应的密封结构形式及不同密封结构的适用环境。

呼吸效应 密封结构 防水试验

电子设备的工作环境是千差万别的，有的在温度、湿度适宜的室内工作，有的在昼夜温差大、湿度大的区域工作。在工程应用中，要保证电子设备正常工作，需要在结构设计中保证腔体密闭，进行外壳防护，防护等级的高低依据工作环境而定。在实践中，经常遇到设备在防水试验中检验合格，但交付用户使用一段时间后，发现设备内部有大量的积水，设备功能受到影响甚至发生设备短路现象。通过分析，这种进水现象一般是由于设备在冷热交变的恶劣环境中工作，引起的设备呼吸效应所致。因此，研究不同密封结构的特点，进而找到预防电子设备发生呼吸效应的密封方法，并验证其有效具有非常重要的意义。

1 呼吸效应原理

理想气体状态方程为：

式中：P为气体的压强；V为气体的体积；n为气体的量；R为理想气体常数；T为气体的热力学温度。

由于电子设备腔体外部没有气体的量和体积的限制，所以当温度发生变化时，压强几乎不变，如果设备的工作环境近似为地球表面，其所处环境的气体压强近似恒定为1 atm。设温度变化之前，腔体内气体的压强为P1，气体的量为n1，气体的温度为T1；温度变化之后，腔体内气体的压强为P2，气体的量为n2，气体的温度为T2，则由式（1）得：

由于结构件刚度相对较高，所以腔体的体积一般不会变化。因此，V1=V2，如果腔体的密封绝对有效，则

气体的量不变，即n1=n2，则有：

式（4）表明，在绝对密封的腔体内部，气体的压强变化与温度变化同步，压差和温差同时存在。如果设备的密封措施不能够抵抗此时的压差，则密封将失效。

当腔体有微小孔隙时，腔体内外气体发生流动，使压强平衡，即P1=P2，则有：

此时腔体内部气体的量与温度变化成反比，温度越高，内部气体的量越少，温度降低，腔内气体的量增加。一年的四季变化，一天的早晚变化，甚至是大功率器件的开机、停机，都会形成温度的循环［1］，这就使有微小孔隙的腔体或采用了不能抵御此时压差的密封结构的电子设备发生了“吸气”、“吐气”的呼吸效应。

在设备表面有水覆盖时，如果外部环境正处于降温过程，呼吸效应会直接导致孔隙吸水［2］；在气体湿度大、外部温度剧烈下降的情况下，腔体内气体中的水分子可能达到露点，其温度下降并最终趋于与外部温度相同，但下降速度滞后于腔体外部，在腔体内壁上会有水滴凝结。设备内部吸入或凝结的水不易排出，会逐渐积累，最终影响设备使用。

2 常用防水结构分析

2.1 防水结构形式

电子设备的防水结构可分为以下3种形式：①封闭式方法：橡胶圈密封、焊接密封、胶接密封、灌封等；②开放式方法：预设积水排水结构法、通风法等；③针对呼吸效应的气压平衡法：人工肺方法、加装防水透气阀方法等。

2.2 防水结构分析

（1）焊接密封可以使腔体内部处于气密封状态，密封可靠，但设备维修性差。

（2）胶接密封操作简单，但密封胶容易老化，密封可靠性较差且可能影响产品外观。

（3）灌封方法防水可靠，但影响产品散热及维修。

（4）开放式的方法由于使产品内部不同程度与外界相通，对于接触的防护减弱，产品易受灰尘异物或生物污染。

（5）人工肺方法对调节产品内外压差有效，但增加了产品的复杂性。

（6）防水透气阀方法对于预防呼吸效应引发的产品内部积水问题已被一些单位验证有效，在使用时阀的安装位置要仔细考虑，避免阀被堵塞失效。

（7）橡胶圈密封方法及其相应的密封结构已被大量应用在实践当中，其在电子产品结构设计上易实现、易装配。橡胶密封圈具有弹性高、不透水、不透气、密度低，耐热、寒、油、酸、碱、压、磨等特点，它已成为密封结构中最常用甚至是非用不可的密封材料［3］。

3 密封结构的特点比较

橡胶密封圈安装在产品各层压接面处，被结构件压缩发生变形，形成预压力起到密封作用。橡胶密封圈的变形量在30%左右较为适宜，变形量太小，则密封不可靠；变形量太大，对密封的效果增加有限，但会加速橡胶圈的老化损坏。结构件压接面表面粗糙度的要求为Ra1.6。橡胶密封圈的截面形状及相应的密封结构有很多种，如唇形、方形、圆形、椭圆形、门形、O形、U形、V形、Y形、J形、L形等等［3］，在实践中均有广泛应用。

▲图1 密封结构示意图

本文对图1中的 （a）、（b）、（c）、（d）4种密封结构进行分析比较。

图1（a）所示的密封结构能精确控制橡胶圈的变形量，结构简单，壁厚较薄，但结构的对接面直接面对外界，吸水压力直接作用在接缝处，密封可靠性一般。图1（b）为图1（a）的升级形式，密封圈嵌入密封槽的同时在上下层结构件端面之间形成密封垫，密封可靠性大大增强，但橡胶圈的变形量是受螺钉预紧力的影响，不能精确控制，并且橡胶圈的外侧裸露在产品表面，影响产品的外观和橡胶圈的寿命。图1（c）、（d）上下层结构件外侧有一段套接，避免了吸水压力直接作用在接缝处，增大进水阻力。图1（c）克服了图1（b）的缺点，能精确控制橡胶圈的变形量又不影响产品的外观。图1（d）上层结构压接面具有凸缘，嵌入密封槽内，这样可对进水压力形成曲折路径，另外凸缘压接面积小，易保证表面粗糙度，此密封结构具有较高的可靠性。图1（c）、（d）密封结构的缺点是增加结构壁厚，增大整机质量。图1所有密封结构内侧卡口既有定位功能又有进一步阻水的功能。

4 工程案例及防水试验

某型号车载通信定位终端，采用图1（a）的密封结构，达到了国军标中程序1规定的降雨和吹雨试验标准［4］。为进一步验证产品的防水性能，对车载终端进行浸水试验，常温常压下，水面没过终端静置3～4 h后拆

机检查，内部未进水。产品交付用户，在新疆使用6个月后，终端无法继续工作，内部发现积水，见图2产品内部腐蚀情况。

车载终端通过了防水试验，但在实际使用后发生内部积水，其原因在于产品在昼夜温差大的新疆工作，是使用环境引起的设备呼吸效应。产品发生吸水现象，主要是发生在降温过程，在实际使用中这种工况是可能的，例如，夏季暴晒后突降暴雨。为模拟此类工况，进行升温冲水试验：把产品放入高低温试验箱 （银河KWGD6025Ⅱ）中进行升温，将温度设定到65℃（根据设备实际户外使用温度并留有余量），保温1h，由式（4）得到：此时产品的内外压差约0.2 atm。然后将设备放到喷头下用冷水冲淋（此方法模拟了产品处于降温过程中，并且表面覆盖水流的工况）。重复升温冲水3次，拆开产品发现内部有积水。试验验证了降温引起的压差可使产品内部进水，因此图1（a）的密封结构不能抵御此压差，达不到有效的密封。

对采用图1（b）、（c）密封结构的产品进行同样的升温冲水试验，产品内部未发现积水。试验结果说明图1（b）、图1（c）的结构可以有效防止由温度变化而引起的0.2 atm压差的呼吸效应。

对采用图1（c）、（d）密封结构的产品用精密产品防水测试仪进行测试。将产品放置在防水测试仪储水筒内台面上，台面升至水面上方，扣合筒盖，对储水筒进行充压，将充气压强调至0.9 atm，留有充分的安全余量 （一般地面应用产品的使用环境温差不会超过100℃，由式（4）可知，当温差为100℃时，压差为0.366 atm），充压稳定后保压，再将台面降至水下，使产品没入水中，稳定后放压，观察产品结构接缝处是否有气泡出现，如有气泡，说明产品的密封不能抵御所加载的压强。在对图1（c）、（d）密封结构的产品进行的防水测试中，未见气泡出现。试验说明图1（c）、（d）密封结构能抵御0.9 atm的压差，可以满足地面应用设备防止呼吸效应的要求。

▲图2 产品内部积水腐蚀

▲图3 升温冲水试验

▲图4 防水耐压测试

5 结论

图1（a）所示的密封结构对于在常温常压下使用的产品，其防水功能是有效的，但在温度变化大有压差的情况下，其密封可能会失效。图1（b）、（c）、（d）可以预防地面应用设备的呼吸效应，对产品提供有效的密封防护。图1（b）能抵御至少0.2 atm的压差，图1（c）、图1（d）能抵御至少0.9 atm的压差。对于已经采用了图1（a）密封结构的产品，在出现呼吸效应后，综合考虑产品的维修性、经济性，可改用图1（b）、（c）、（d）形式解决问题；对于新设计的产品，应考虑产品的使用环境，合理选择密封结构。

［1］龚光福.呼吸效应研究 ［J］.雷达科学与技术,2009,7（3）: 236-244.

［2］徐红.海用露天电子设备防凝露设计概述［J］.电子机械工程,2004,20（3）:24-26.

［3］生建友.小型电子设备机箱的密封设计［J］.电子工艺技术, 2001,22（1）:214-217.

［4］GJB150.8A-2009军用装备实验室环境试验方法第8部分：淋雨试验［S］.

［5］张万俊.背负式电子设备的密封设计［J］.舰船电子工程, 2012,32（8）:149-151.

［6］孙海龙,王晓慧.舰载电子设备三防密封设计技术综述［J］.装备环境工程,2008,5（5）:49-52.

（编辑 美 华）

TP271.4；TB42

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1000-4998（2015）10-0056-03

2015年4月