露天密封机箱应用防水透气阀∗

畅黎鹏

（中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

露天设备处于户外严酷的自然环境中，如沙漠、高山、海洋、岛礁等，承受着环境温度昼夜交替变化的影响，同时还会接触各种粉尘颗粒，频繁遭受雨水、雾气、冰雪、风沙和太阳辐射，使用环境极其恶劣。由于后期维护困难且成本高，因此对露天设备的环境适应性防护和可靠性要求非常高。

2 应用情况

为了满足恶劣的使用环境要求，露天设备通常需采用密封机箱的结构形式。密封机箱结构的目的是使机箱内部与外界大气隔离［1］，保护内部电气和结构免受外部恶劣环境影响，避免液态的水进入机箱，尽量减少机箱内部的水蒸气，对内部的元器件起到防水防尘的保护作用，以提高元器件的可靠性，延长设备使用寿命。同时，可以满足防淋雨及流体污染等环境适应性的要求。

目前密封机箱主要是通过密封胶条和螺钉紧固连接来实现完全密闭，一般能达到IP65及以上防尘防水要求［2］。但往往由于机箱密封不严密，这种密封结构尽管解决了露天环境下出现锈蚀等难题，同时又带来了新的问题。

在实际环境中，由于昼夜交替和四季变化，机箱内部气体随着外界温度变化而热胀冷缩。在白天，尤其是在酷热的夏季，温度的快速上升会引起机箱内空气膨胀，密封机箱内空气无法排出，内部气压高于外部气压，压力便会积聚在机箱最薄弱的环节，如密封条、连接器和线缆等处。反之，当设备遇到大风雨雪等气候状况时，都会引发温度急剧下降，从而在机箱内部形成负压，此时，如果外部空气无法进入机箱内补偿，压力将会同样施加于机箱最薄弱处。机箱内气体反复热胀冷缩会使盖板产生变形，机箱发生鼓包现象。

在长期循环作用下，密封条可能会受到损坏，密封机箱经常会出现微孔和裂缝，降低密封效果，导致短时间内机箱内部大量积水，造成机箱内线路故障、零件严重锈蚀，使电子器件失效加速，故障增多，降低设备的使用寿命。在温差变化大、湿度大的地区，尤为严重，如何有效地解决进水问题已经成为设计中迫切需要考虑的问题。

3 原因分析

密封结构会因凝露现象和呼吸效应导致机箱内部出现潮气和积水，而潮气对元器件的可靠性有较大的影响。造成其金属材料易腐蚀，非金属材料易老化、失效，给电子设备带来很大的破坏性和危害性，严重影响设备的可靠性和寿命。

3.1 凝露现象

我们通常所说的空气一般为湿空气，是干空气和水蒸气的混合体。

当气温降低到某一温度时，空气相对湿度增至100%，达到饱和状态，此温度称为露点温度。

当局部环境温度低于环境露点温度时，空气中的水蒸气从饱和空气中分离出来，凝结成水滴，产生凝露现象［3］。

遇到暴雨天气，由于温度的急速降低，会使机箱内高温、高湿的空气中水气过饱和，空气中的水蒸气低于露点温度，即可在物体的表面产生凝露现象。为了保证电子设备可靠性要求，机箱内部的凝露应能够通过某种形式排出，而外部的凝露也尽量不要侵入设备内。同时，根据空气湿度与温度的关系曲线，空气相对湿度越大，凝露现象就越容易出现。当电子设备处于我国南方或海洋等环境下，凝露现象则更为严重。凝露现象与机箱容积大小、升（降）温速度和相对湿度有关。箱体越大，升（降）温越快，湿度越大，则凝露现象就越厉害。凝露现象一般发生在升温的时候［4］。

3.2 呼吸效应

露天密封机箱工作环境恶劣，长期处于高温、高湿或盐雾环境中。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。呼吸效应是一种自然现象，是密封机箱受外界温度变化影响的必然结果，它符合热胀冷缩的基本原理。

密封机箱内的气体会产生一定的压强，压强的变化因温度变化而变化。理想气体状态方程如下:

式中:P为气体压强；V为气体体积；n为气体的量；R为气体常数；T为气体的热力学温度。

当密封机箱内气体温度发生变化时，气压也随之变化，其变化量可表示为

从式（2）可以看出，机箱体积越大，温差越大，产生的压差越大。从而导致用于密封的密封条承受很大的压力，导致其加速老化，甚至失效。一旦密封条出现了细小的缝隙，就会导致气体在缝隙处的流动。

当吸入的潮湿空气积聚到一定量时，在露点温度附近形成水雾或凝露。几年、十几年的“呼吸作用”甚至可在机箱内形成积水［5］，使电子设备的失效加速和故障增多。

密封机箱的呼吸效应除了呼吸大气外［6］，机箱内外部形成的压力差还可以吸进缝隙附近的液体，使内部进水。随着外界温度的变化，会在箱体内形成正负压力，长时间的内外压差作用，会使箱体的密封效果变差，同时产生“呼吸作用”和“吸水效应”。特别是当夏天突发暴雨时，气温急剧下降，密封机箱内外气压差较大，雨水覆盖缝隙或小孔，形成吸水效应，水就会被吸入机箱内部。作为一个密闭的机箱，内部的水汽排出将非常困难，最终导致设备故障。

遇到夏天突发暴雨，密封机箱一次最多可以吸进水的体积，相当于机箱本身体积的10%。这种因呼吸效应引发的吸水作用，才是密封机箱出现小孔或缝隙时，短时间内大量积水的根本原因。

4 解决方案

对露天密封机箱的凝露特性进行分析，当柜内湿度大且遇到环境温度快速下降时，极易发生凝露现象。对于有一定热量产生的密封机箱，可使用低成本的保温材料来提高温度，降低相对湿度，防止冷凝，解决凝露问题［7］。另外需要降低密封机箱的绝对湿度，除了增强结构密封性外，建议使用吸湿剂来除湿。

还可以提高设备的防护等级，使设备防护等级提高到IP68，但设备制造成本急剧增加，并且不能完全解决设备进水问题，在内外压力差的作用下，水由于呼吸效应作用仍然存在进入设备内部的可能。

采用透气孔、迷宫式通道等设计方案可以有效平衡内外压力差，从而保护密封条不受过大的压力，避免水从密封界面进入机箱内部。但这些方案都无法完全阻止水、灰尘、杂质和异物从其自身（孔、通道）进入，使用中存在一定的风险。

以上这些方案都无法完全解决进水问题。工程实践中，露天密封机箱可以依据需要配装防水透气阀。

在安装防水透气阀后，空气和水蒸气可自由出入机箱，能有效平衡机箱内外气体压力，控制由环境气压、空气温度变化引起的机箱内外气压波动，及时自动排除密封机箱内的过量气体，避免造成水从机箱密封条、线缆等薄弱环节进入设备内部，保证密封条的完整性，可以有效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，能够有效保护设备内部电子元器件的正常工作，从而提高设备在露天工作的可靠性。

同时，机箱内部和外部的气压基本平衡，可解决内外压力变化可能导致的结构件变形、密封条老化失效等问题。

防水透气阀具备很好的防水防尘能力（可以达到IP68甚至更高的等级）。防水透气阀主要由阀体、防水透气膜、屏蔽网和密封圈组成。其结构示意图如图1所示，其中核心器件为防水透气膜。

图1 防水透气阀结构示意图

防水透气膜是由膨体聚四氟乙烯（EPTFE）薄膜和聚丙烯面料、网格加强筋再经过高热熔而成，具有数亿个独特的微孔结构，这种微观网状结构的微孔直径在0.1μm～3.0 μm，是灰尘和水滴的1/1 000，是水分子的700多倍［8］，利用气体分子与液体及灰尘微粒的体积大小数量级差，让气体分子通过，而液体与灰尘无法通过，从而实现防水防尘透气的目的。防水透气膜有较大的透气量和较好的防水性。凭借防水透气膜极高的透气量实现不断的内外气体交换，促使内外气压相等，能够起到平衡密闭机箱内外压力的作用。通过不断平衡机箱内部和所处环境的压差，允许机箱体内的水汽透过薄膜释放到外面，而外面的水则无法进入机箱，透气而不漏水起到防水透气的作用，从而有效防止凝露现象。

聚四氟乙烯被誉为“塑料王”，是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，良好的抗老化。因此，防水透气膜具有耐腐蚀性、耐高低温、抗紫外线照射等特性［9］。防水透气阀抗污染能力强，不需维护，能在全天候多种区域苛刻环境下长期工作。

防水透气阀并不能改善单次温降引起的机箱内部气体凝露，但凝露量很少，并不足以引起设备故障。由于水蒸汽分子的直径与空气分子直径相同，因此防水透气膜对于水蒸气和空气的透过率是基本相同的［10］。电子设备在工作状态下是一个发热体，内部一旦形成积水，可通过发热促使其形成水蒸气［11］，在正压的情况下，通过防水透气阀把机箱内部的水汽排出机箱。

防水透气阀有减少机箱内积水的作用，能够降低密封机箱内元器件故障频率和提高组件的可靠性。

5 安装和选型

5.1 安装

防水透气阀结构简单，性能可靠，尺寸小巧，一般选用螺纹安装结构，所以安装简单，维护成本低。

防水透气阀应安装在设备不易被磕碰的位置如箱体的底部或侧壁上，避开正面经受风雨［12］，避免外界雨水聚积灰尘覆盖，周围空气要流通顺畅。安装接触面要平滑，尽量避免纹面，也不能安装在弧面上。如此可保证防水透气阀实现其透气、防水、防油、防尘和防盐雾等功能，减少机箱密封件的应力。

5.2 选型

按安装方式主要有螺纹式、压入式、卡扣式、纽扣式、背胶式和焊接式等透气阀。

螺纹式防水透气阀有M5、M6、M8、M10、M12、M20、M24和M40等系列。

按材质主要有塑胶透气阀和金属透气阀。

金属透气阀又可分为不锈钢透气阀、铝合金透气阀和黄铜透气阀三种。

建议阀体基材采用不锈钢材料，以满足三防要求等。

防水透气阀耐高低温可达-40℃～+120℃。阻燃等级可达UL 94 V-0。

5.3 关键指标的选择

防水透气阀主要功能是防水透气和平衡压差，其关键性能指标是防护等级和透气量。

防护等级主要与阀体生产工艺和透气膜的防水能力有关，可以达到IP65、IP66、IP67、IP68甚至更高的防护等级。防护等级的选择和设备的应用环境有关，一般的风吹雨淋环境要求IP65即可，如有浸水要求，则需考虑IP67或更高的防护等级。

透气量的选择主要与机箱体积、最大温差等密切相关。假设设备内部空气体积为10L，外部使用环境最大温差为从80℃降低到20℃（12min内），并且内部和外部初始空气压力均为1个大气压，即101kPa，并假设从80℃降低到20℃是一个均匀降温的过程，内外压差按1min为时间单位进行积聚，且内部空气压力在每个时间单位开始时已恢复至一个大气压。

装有防水透气阀的情况下，我们的目的是将内部空气压力始终保持在一个大气压，所以:

式中:P为气体压强；V为气体体积；n为气体物质的量；R为气体常数；T为气体的热力学温度。

则 V2=V1×（T2/T1）=10×（293.15/353.15）=8.3 L，则需从外部补充的空气体积△V=1700ml，即142ml/min。

假定降温是一个匀速过程，则内外压差在1kPa～2 kPa之间（80℃降到75℃和25℃降到20℃产生的压差均在1kPa～2 kPa之间），那么要求透气阀的透气量为497 ml/min～994ml/min@7 kPa（透气量与压差有线性关系，一般用7 kPa时的透气量表示）。实际使用时考虑到外界环境的复杂性，一般透气量选择为理论设计值的2倍以上为宜。

6 结语

露天密封机箱要求具有良好的可靠性和防水防尘能力。露天密封机箱因温度变化而引起内部气体压强变化，造成凝露现象和呼吸效应，使机箱内积水，进而造成线路故障及零件锈蚀。

为了有效解决以上问题，提高设备的可靠性，延长其使用寿命，采用防水透气阀平衡内外气体压力，可有效减少机箱内电子元器件腐蚀损坏和故障，大幅减小因凝露现象和呼吸效应产生的积水问题。从而保护机箱内敏感的电子元器件，降低机箱设计制造成本，减少设备故障，使密封机箱具有更好的散热功效。

防水透气阀特别适用于在宽温度、宽湿度、宽高度变化范围工作的电子设备密封机箱。