防水透气阀在密封结构中的应用

白秀茹

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

防水透气阀在密封结构中的应用

白秀茹

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对部分野外密闭电子设备有保持设备机箱内外气压平衡的设计需求，介绍了透气膜材料透气原理，进行了防水透气阀的透气量和透湿性验证试验，证实了防水透气阀的高透气、透湿性能。对试验数据进行综合分析，提出了保持机箱内外气压平衡的设计方法，强调了密封机箱内部防潮设计的重要性。密封结构工程实践验证了内外气压平衡效果。

防水透气阀；气压平衡；呼吸效应

0 引言

在地面电子设备中，常常应用密封腔体的结构形式。密封结构的目的是保护内部电气和结构免受外部恶劣环境影响[1]。根据理想气体状态方程，理想气体的压强与理想气体的体积和绝对温度之间存在函数关系，那么短时间内自然环境气温变化即环境温差可引起密闭机箱内部气体气压与外界气压失衡。野外密封设备因受湿度、温度骤变造成的气压失衡，产生“呼吸效应”，往往会在设备内部形成水汽凝结或积水[2]。气压变化尤其是内部气压增大后，还会引起腔体内电路板焊盘剥离、微带天线面鼓包等现象发生，致使器件损坏、性能指标下降。故密封结构对气压平衡的需求，引发了新材料的应用。防水透气膜随之进入设计师眼界。防水透气膜因其较大的透气量和较好的防水性，最初在航天环境得到应用。目前在地面设备中也开始应用防水透气阀，以解决高湿地区昼夜温差大引起的密封设备内的水汽凝结问题。本文依据实际工程项目，从实际应用出发，阐述如何定量使用透气阀，并实际验证工程中天线鼓包问题的解决。

1 防水透气材料透气原理

防水透气材料由阻燃布和高分子防水透气薄膜复合而成。高分子薄膜具有微孔，其孔径为零点几到几十μm。各种雨雾直径的统计平均值如表1[3]所示。从表1中看出，高分子薄膜的微孔直径为水滴直径的数千分之一，是水蒸汽分子直径的1 000倍左右。在常温、常压下，水以液态形式存在而不是水蒸汽分子形式存在时，不能通过防水透气材料，以达到防水透气的目的。由于水蒸汽分子的直径与空气分子直径相当，因此防水透气材料对于水蒸汽和空气的透过率是相同的，其透过量决定于膜的开孔率、厚度和孔径。目前该种薄膜通常采用聚四氟乙烯制成的PTEE薄膜。

表1 各种雨雾直径

2 防水透气阀的选用方法

密封机箱安装防水透气阀，可实现在环境气压发生变化时消除机箱内外气压残差的目的。

例如，某密封盒外形尺寸为200 mm×200 mm×50 mm。标准大气压、常温下，经计算可得出安装透气阀数量。计算过程如下：

据气体状态方程：

式中，T1为初始温度(设为20 ℃)；T2为升至温度(设为70 ℃)；V1为初始温度时被测气体体积(即密封盒内容积，经计算得1.96×107mm3)；V2为T1升至T2，V1膨胀后的体积。

根据公式，V2=V1×T2/T1。

经计算V2约为22 900ml。设定升温时间t=30 min，若要密封盒内气压保持不变，向盒外排出气体的流量应为：

(V2-V1)/t=110 ml/min。

选用不同厂家流量参数分别为180 ml/min(EM-M4)和230 ml/min(VV-M5)的透气阀，均安装一个即可满足流量需求。

3 防水透气性能试验验证

透气性能试验验证是为防水透气阀在产品正式应用前积累基础数据。一方面通过观察密封机箱内部气压残差，来评测安装透气阀的数量及其对应透气量的正确性；另一方面通过观察透湿性为防潮设计提供依据。

3.1 透气量摸底试验

主要试验用品有：铝质密封盒、气压表(量程0～1.6 bar)和透气阀等。

在试验室高低温箱内进行试验。将密封盒置于温箱内，测量密封盒内部气压的气压表引至温箱外，设定温箱温度循环范围等参数，实时记录气压表读数。试验场景如图1、图2和图3所示。

图1 放置于温箱内的密封盒体

图2 气压表引至温箱外

图3 密封盒体上的透气阀安装

分别在盒体安装一个不同品牌的M4型和M5型透气阀，温箱温度循环值为：25～+70 ℃～-40～+25 ℃。分别记录温度变化引起的气压变化。结果摘录如表2和表3所示。

表2 M5型透气性试验数据

表3 M4型透气性试验数据

由记录结果可见，M5型防水透气阀在常压试验环境下，透气性良好，升温降温过程，盒体内外基本无压差，可保持内外气压平衡且气体流速较大。M4防水透气阀在升温降温过程中，盒体内外存在较小压差，随时间延长，压差消除，可保持内外气压平衡且气体流速较小。

3.2 透湿性摸底试验

防水透气阀具有透过湿气的功能，可以避免潮气在设备内部的积聚，那么高湿且温度骤变环境，如何影响机箱内湿度，有待进一步试验验证。

在试验室高低温箱内，进行试验。试验条件是：湿度95%，温度30～60 ℃交变，24 h一个温度循环，进行10个循环。以此考验长时间暴露在潮湿环境下的湿气透过性能。

为取得湿度数值，分别在2个试验盒中放入ATM2001型湿敏电容温湿度传感器，传感器信号采用模拟电压输出方式。同时，2个盒内分别撒入变色硅胶，作为定性辅助方法。其中1号盒为全密封盒，不安装透气阀；2号盒为全密封盒体上安装了1个VV-M5防水透气阀。摘录的湿度传感器数值如表4所示。变色硅胶变色情况如图4和图5所示(硅胶干燥时为深色，随湿度增大逐渐变为浅色。图片中深色颗粒为蓝色硅胶，浅色颗粒为浅粉色硅胶)。

表4 透湿性试验数据记录表 (%)

图4 试验结束时1号盒硅胶变色情况

图5 试验结束时2号盒硅胶变色情况

由记录结果可见，安装了透气阀的盒子(2号盒)，盒内湿度值与外环境达到一致，硅胶明显变为浅色。全密封盒(1号盒)无湿度值变化，硅胶无明显变色。盒内均无积水。

4 工程应用效果

通过摸底试验可得出初步结论：① 选择流量匹配的透气阀，密封机箱的透气性可满足内外气压平衡需求；② 湿气分子可以透过透气阀，密封机箱内外湿度接近一致。

近几年的工程实践中，野外设备依据需要配装了防水透气阀，气压平衡对提高设备性能有明显效果。如某船载设备的微带天线内部馈电连接点与密闭机箱内部相通，安装防水透气阀以前，当设备经受太阳照射或温箱中高低温冲击后，机箱内部气压与外界环境不同步，当内部高于外部气压时，便发生了馈电连接点焊盘崩裂和天线面鼓包现象。安装透气阀后，微带天线鼓包的问题得到了彻底解决，有效地避免了天线变形引起的电气性能下降。该设备安装在我国南方沿海的轮船甲板上，经过2年多时间的近海试验，电气性能和结构状态一直保持完好，机箱内部亦未发生积水现象，也未发生腐蚀。设备机箱内外的结构和电气表层均采用了重防护涂层，即舰船载甲板设备涂层系统[4]。

防水透气阀尺寸小巧，一般选用螺纹安装结构，所以使用比较方便。安装时只需要考虑安装后不易被磕碰、避开正面经受风雨的位置即可。一般安装在设备箱体的底部，还可避免外界灰尘等颗粒物积聚在防水透气阀膜层上堵塞透气膜[5]。

防水透气阀虽然在工程中解决了一些难点问题，但并非万能。我国地形多样，涵盖了从热带到寒带各种环境气候条件[6]。如温带寒冷的夜晚，可能引起湿气结霜(冰)[7]，这时透气膜虽阻隔了呼吸效应引起机箱内部积水，但不能解决结霜(冰)造成的内部积水。因此在此类地区使用的电子设备应考虑设计定期排放积水的结构[8]。

5 结束语

透气阀具有在短时间内使密封设备达到内外气压平衡的能力，这在前面的透气性试验中已得到验证。气压平衡在密封结构中带来的好处：① 可有效避免气压差带来的器件损坏；② 可大幅减小呼吸效应产生积水问题。因此防水透气阀特别适用于在宽温度、宽高度变化范围工作的密封结构电子设备。

对于野外电子设备，三防设计必不可少，微孔膜材料的孔径小，决定了防水透气阀具有阻止细小的盐结晶进入密封腔体内的功能，因此可以减少盐雾对电子设备的腐蚀。但湿气分子可以穿透透气膜，这在前面的透湿性试验得以验证，潮湿总要侵蚀金属和非金属，促进微生物生长，引起电子设备腐蚀[9]。因此安装了防水透气阀的密闭机箱内部也不可放松防潮设计。

[1] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.

[2] 龚光福.呼吸效应研究[J].雷达科学与技术，2009，7(3)：236-239.

[3] 张建可.防水透气材料在航天器上的应用研究[J].中国空间科学技术，2009(1)：68-71.

[4] 黄湘鹏，陆 敏.海洋环境中雷达表面涂层的现状及分析[J].雷达与对抗，2015，35(1)：58-60.

[5] 刘应辉，张思东.防水透气阀在通信设备行业的应用[J].电子机械工程，2014，30(4)：5-7.

[6] 杨伟光，马 骖.电子设备三防技术手册[M].北京：兵器工业出版社，2000.

[7] 许建照.湿度、露点和干燥度[J].电子机械工程，2009，25(5)：25-27.

[8] 平丽浩，黄普庆，张润逵.雷达结构与工艺[M].北京：电子工业出版社，2007.

[9] 李欧卿，魏 芃，朱 箭.室外通信机柜防结露研究[J].电子机械工程，2011，27(5)：2-4.

白秀茹 女，(1969—)，高级工程师。主要研究方向：电子设备结构设计。

Application of Waterproof Ventilated Valve in Sealed Structure

BAI Xiu-ru

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

As for the design requirement of some sealed electronic equipment in field environment,it is necessary for the internal and external pressure of the case to be balanced.The ventilation principle of breathable material is introduced in this paper.The characteristics of air permeability and moisture penetrability of waterproof ventilated valve are tested in the experiment.Based on a comprehensive analysis on the experimental data,a design method is provided to balance the internal and external pressure of the case,and the importance of moisture-proof is emphasized.The effect of internal and external air pressure balance is demonstrated by practical applications of sealed structure.

waterproof ventilated valve;air pressure balance;respiratory effect

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.18

白秀茹.防水透气阀在密封结构中的应用[J].无线电工程,2017,47(1):76-78，82.

2016-11-10

国家部委基金资助项目。

TH136

A

1003-3106(2017)01-0076-03