防水透氣閥在通信設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用

劉應(yīng)輝，張思東

(中興通訊股份有限公司， 廣東 深圳 518055)

防水透氣閥在通信設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用

劉應(yīng)輝，張思東

(中興通訊股份有限公司， 廣東 深圳 518055)

通信設(shè)備面臨的戶外應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，針對通信設(shè)備因呼吸效應(yīng)出現(xiàn)的設(shè)備進(jìn)水問題，對比不同的防護(hù)方案，提出在密閉型戶外通信設(shè)備上采用防水透氣閥的解決方案。根據(jù)通信設(shè)備的行業(yè)特點對防水透氣閥進(jìn)行了選型，并經(jīng)過實驗驗證和產(chǎn)品使用效果跟蹤，該方案能夠有效降低戶外通信設(shè)備的進(jìn)水，從而提高產(chǎn)品的可靠性，延長通信設(shè)備的使用壽命。

防水透氣閥；通信設(shè)備；呼吸效應(yīng)；可靠性；防護(hù)設(shè)計

引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的通信設(shè)備應(yīng)用于戶外的嚴(yán)酷環(huán)境中，如沙漠、山頂、野外、海邊等等，因此通信設(shè)備的環(huán)境防護(hù)和可靠性需求也越來越高。

目前戶外通信設(shè)備主要是通過密封膠條和螺釘緊固連接實現(xiàn)完全密閉，可以達(dá)到IP65及以上防塵防水要求。然而在實際環(huán)境中，由于設(shè)備外部環(huán)境天氣隨時發(fā)生變化，設(shè)備內(nèi)部電子元器件在工作時會自身發(fā)熱，因此密封設(shè)備內(nèi)部氣體的狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化。設(shè)備內(nèi)部氣體隨著外界溫度變化而熱脹冷縮會使蓋板產(chǎn)生變形，降低密封效果，同時產(chǎn)生呼吸效應(yīng)，設(shè)備內(nèi)外部形成壓力差而使內(nèi)部進(jìn)水，使電子器件失效加速，故障增多[1-2]。

1 通信設(shè)備環(huán)境防護(hù)需求

1.1 通信設(shè)備應(yīng)用環(huán)境分析

通信行業(yè)所使用的戶外設(shè)備承受著環(huán)境溫度迅速波動的影響，同時還會接觸各種顆粒，并經(jīng)常遭受溫度變化、風(fēng)雨侵蝕和太陽輻射，使用環(huán)境極其嚴(yán)酷。同時通信設(shè)備屬于基礎(chǔ)設(shè)施，如果設(shè)備出現(xiàn)問題影響范圍非常大，并且因為設(shè)備安裝位置分散，后期維護(hù)困難且成本高，因此對設(shè)備的可靠性要求非常高。

戶外通信設(shè)備在白天開啟，尤其在夏天酷熱的情況下，溫度的快速上升會引起殼體內(nèi)至少100 mbar的正壓，殼體內(nèi)空氣膨脹。密閉殼體內(nèi)空氣無法排出，壓力便會積聚在外殼上最薄弱的環(huán)節(jié)，如密封條、連接器、線纜等處。反之亦然，當(dāng)設(shè)備遇到大風(fēng)雨雪等氣候狀況時，都會引發(fā)溫度下降，從而因呼吸效應(yīng)在殼體內(nèi)部形成負(fù)壓，此時，如果外部空氣無法進(jìn)入外殼補(bǔ)償，壓力將會同樣施加于外殼最薄弱處。長期如此循環(huán)，密封條可能會受到損壞，外部的水等便會被吸入殼體，從而腐蝕設(shè)備內(nèi)部的電子元器件，降低設(shè)備的使用壽命[3]。因此迫切需要解決戶外通信設(shè)備的進(jìn)水問題。

1.2 通信設(shè)備防護(hù)技術(shù)介紹

通信設(shè)備戶外應(yīng)用時因呼吸效應(yīng)導(dǎo)致的設(shè)備進(jìn)水問題存在兩種解決思路：

1)提高設(shè)備的防護(hù)等級。如改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式使設(shè)備防護(hù)等級提高到IP68，但設(shè)備制造成本急劇增加，并且不能完全解決設(shè)備進(jìn)水問題，在內(nèi)外壓力差的作用下，水由于滲透作用仍然存在進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的可能。

2)平衡內(nèi)外壓力。如采用人工肺、透氣孔或防水透氣閥。采用人工肺的結(jié)構(gòu)如圖1所示，需要設(shè)備內(nèi)部存在一定的空間或在設(shè)備外部裝配相應(yīng)的氣囊，但通信設(shè)備內(nèi)部空間比較緊湊，不適合安裝氣囊，同時外部裝配氣囊也存在容易破損、影響外觀等問題，因此該方案并不適合在通信設(shè)備行業(yè)使用。

圖1 人工肺與腔體的兩種連接方式[2]

采用透氣孔、迷宮式通道等設(shè)計方案也可以有效平衡內(nèi)外壓力，從而保護(hù)密封圈不受過大的壓力，避免水從密封界面進(jìn)入。但這些方案無法完全阻止水、灰塵、雜質(zhì)和異物從其自身(孔、通道)進(jìn)入，使用中也存在一定的風(fēng)險。

防水透氣膜是一種可以將液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)擋在外面，而氣態(tài)物質(zhì)可以自由出入的功能性薄膜，其工作原理如圖2所示。防水透氣膜的微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其含有微小的孔徑，孔徑大小介于液態(tài)水分子直徑和氣態(tài)水分子直徑之間，并且是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此能阻擋液態(tài)分子如水和微小顆粒狀灰塵的進(jìn)入，同時又能使氣體如空氣自由進(jìn)出殼體。

圖2 防水透氣膜的工作原理[3]

圖3 防水透氣膜微觀結(jié)構(gòu)

防水透氣閥是將防水透氣膜裝配在閥體內(nèi)部組成一個防水組件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由閥體、防水透氣膜、O型圈組成，其中核心組件防水透氣膜位于閥體內(nèi)部。

圖4 防水透氣閥結(jié)構(gòu)

與文中所述其他方案相比，防水透氣閥能夠通過較好的透氣來實現(xiàn)殼體內(nèi)外壓力的平衡，防止外界的水通過密封條、線纜等進(jìn)入殼內(nèi)，并能有效保護(hù)密封條的完整性。同時其自身結(jié)構(gòu)具備很好的防水防塵能力(可以達(dá)到IP65甚至更高的等級)。防水透氣膜還能加快水氣的散發(fā)，從而減少水氣積聚。

2 防水透氣閥的應(yīng)用

2.1 防水透氣閥的選型

2.1.1 材料的選擇

目前閥體的材料主要是金屬或塑料，金屬防水透氣閥加工尺寸一致性不容易控制，在戶外也存在腐蝕的可能，不能滿足通信設(shè)備行業(yè)的需求。塑料防水透氣閥可以采用一體化注塑成型技術(shù)將防水透氣膜和相應(yīng)的閥體注塑成型為一體，閥體尺寸一致性容易控制，并且閥體與膜層結(jié)合界面缺陷率低，適合大批量生產(chǎn)。

防水透氣膜的材料一般為EPTFE，即膨體聚四氟乙烯。該材料具有輕薄、耐用、防水等特點，可以加工成各種不同“透氣性”等級的織物或薄膜。

2.1.2 關(guān)鍵指標(biāo)的選擇

防水透氣閥主要功能是防水和透氣，其關(guān)鍵性能指標(biāo)主要是防水能力和透氣量。

防水能力主要和閥體生產(chǎn)工藝和透氣膜的防水能力有關(guān)，可以達(dá)到IP65、IP66、IP67甚至更高的防護(hù)等級。防護(hù)等級的選擇和設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，一般的風(fēng)吹雨淋環(huán)境要求IP65即可，如有浸水的環(huán)境，則需考慮IP67或更高的防護(hù)等級。

透氣量的選擇主要與設(shè)備殼體體積、最大溫差等密切相關(guān)。假設(shè)設(shè)備內(nèi)部空氣體積為10 L，外部使用環(huán)境最大溫差為從80 ℃降低到20 ℃(12 min內(nèi))，并且內(nèi)部和外部初始空氣壓力均為1個大氣壓，即101 kPa，假設(shè)從80 ℃降低到20 ℃是一個均勻降溫的過程，內(nèi)外壓差按1 min為時間單位進(jìn)行積聚，且內(nèi)部空氣壓力在每個時間單位開始時已恢復(fù)至一個大氣壓。

在完全密封的情況下，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

P1V=nRT1

(1)

P2V=nRT2

(2)

式中：P為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體物質(zhì)的量；R為普適氣體常量；T為氣體的熱力學(xué)溫度。則P2=P1×(T2/T1) =101 000×(293.15/353.15)=83 840 Pa，那么這個過程中最終的內(nèi)外壓差ΔP=17 160 Pa。裝有防水透氣閥的情況下，我們的目的是將內(nèi)部空氣壓力始終保持在一個大氣壓，所以：

PV1=nRT1

(3)

PV2=nRT2

(4)

則V2=V1×(T2/T1)=10×(293.15/353.15)=8.3 L，則需從外部補(bǔ)充的空氣體積ΔV=1 700 ml，即142 ml/min。

假定降溫是一個勻速過程，則內(nèi)外壓差在1～2 kPa之間(80 ℃降到75 ℃和25 ℃降到20 ℃產(chǎn)生的壓差均在1～2 kPa之間)，那么要求透氣閥的透氣量為497～994 ml/min@7 kPa(透氣量與壓差有線性關(guān)系，一般用7 kPa時的透氣量表示)。實際使用時考慮到外界環(huán)境的復(fù)雜性，一般透氣量選擇為理論設(shè)計值的2倍以上為宜。

2.1.3 安裝和使用

防水透氣膜作為防水透氣閥的核心組件，也可以單獨采用背膠粘貼或橡膠塞等方式。這兩種方式簡單易用，但存在粘貼不牢、松動滑脫等風(fēng)險，因此在通信設(shè)備等可靠性要求高的行業(yè)不建議使用。比較而言，將透氣膜和閥體注塑到一起，并通過螺紋和設(shè)備殼體連接到一起更牢固，可靠性較高。

防水透氣閥一般要求安裝在通信設(shè)備殼體的底部，以避免外界灰塵等顆粒物積聚在防水透氣閥膜層上堵塞透氣膜影響透氣效果。

2.2 防水透氣閥的使用效果

為了進(jìn)一步驗證防水透氣閥在實際使用環(huán)境中的效果，對安裝透氣閥的設(shè)備殼體進(jìn)行高溫淋雨實驗(圖5)，以模擬戶外設(shè)備遇到暴雨時設(shè)備溫度急劇降低產(chǎn)生負(fù)壓的情形。首先將設(shè)備在高溫試驗箱中加熱到80 ℃，并保持2 h，取出后進(jìn)行IPX5淋水實驗，看設(shè)備內(nèi)部是否進(jìn)水。測試結(jié)果顯示：殼體內(nèi)部及透氣閥處均沒有進(jìn)水，說明透氣閥能夠有效平衡內(nèi)外壓力，避免設(shè)備因呼吸效應(yīng)而進(jìn)水。

圖5 防水透氣閥實驗驗證

對某型號產(chǎn)品大批量使用防水透氣閥進(jìn)行了一年多的跟蹤，該產(chǎn)品因進(jìn)水失效的比例由使用前的千分之三降低到十萬分之五以下，改善效果明顯。

3 結(jié)束語

針對呼吸效應(yīng)引發(fā)的通信設(shè)備進(jìn)水問題，經(jīng)過對比不同的防護(hù)技術(shù)方案和實驗測試、產(chǎn)品批量使用跟蹤，在通信設(shè)備殼體上加裝防水透氣閥后能有效平衡腔體內(nèi)外壓力，避免負(fù)壓造成水從設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，能夠有效保護(hù)設(shè)備內(nèi)部電子元器件的正常工作，從而提高通信設(shè)備在戶外應(yīng)用的可靠性。

[1] 樊友軍, 陳剛, 仙錦. 防水透氣閥在雷達(dá)密封腔體中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(2): 12-14.

[2] 龔光福. 呼吸效應(yīng)研究[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2009, 7(3): 236-239.

[3] GORE?防水防塵透氣產(chǎn)品：戶外通訊設(shè)備防護(hù)技術(shù)指南[Z]. 2013.

劉應(yīng)輝(1986- )，男，碩士，工程師，主要從事通訊設(shè)備防護(hù)設(shè)計與技術(shù)研究工作。

Application of Waterproof Ventilated Valve in Communication Equipment

LIU Ying-hui，ZHANG Si-dong

(ZTECorporation,Shenzhen518055,China)

The outdoor application circumstances faced by communication equipment become more and more complex. Communication equipment confronts the water seepage problem because of the “respiratory effects”. After comparing different protective designs, the solution of adopting waterproof ventilated valve in outdoor sealed communication equipment is put forward. The properties of waterproof ventilated valve are discussed according to the characteristics of communication equipment industry. Experimental validation results and product usability tracking indicate that the design can effectively reduce the possibility of water seepage, improving the reliability and lifetime of outdoor communication equipment.

waterproof ventilated valve; communication equipment; respiratory effects; reliability; protective design

2013-11-29

TH136

A

1008-5300(2014)04-0005-03