戶外電子設(shè)備防水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 霞，任天猛

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都，610100)

1 引言

由于戶外電子設(shè)備使用環(huán)境的惡劣，通常要求產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，其目的是保護(hù)內(nèi)部電氣和結(jié)構(gòu)免受外部惡劣環(huán)境影響。對(duì)戶外電子設(shè)備而言，最常見的密封要求是防水密封。IEC(International Electrotechnical Commission)所起草的防護(hù)等級(jí) IP(International Protection)中的第二個(gè)數(shù)字就是表示防止進(jìn)水造成的有害影響，所以戶外電子產(chǎn)品必須通過給定條件下的淋雨實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到防水密封的要求[1]。本文著重討論了戶外電子設(shè)備防水密封設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)戶外電子設(shè)備防水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行了總結(jié)。

2 戶外電子設(shè)備元器件選用

2.1 選用防水連接器

在戶外，電子設(shè)備機(jī)箱防水密封設(shè)計(jì)時(shí)，既要研究機(jī)箱本身的密封問題，又要考慮面板上開關(guān)、液晶屏、航空插座等外部元器件的密封。如果忽視上述元器件的密封問題，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)備機(jī)箱的密封前功盡棄[2]。

我們?cè)谘兄颇车孛嫱ㄓ嵲O(shè)備時(shí)，優(yōu)先選用符合規(guī)定要求的防水連接器，該類連接器通常使用灌封技術(shù)來實(shí)現(xiàn)連接器內(nèi)部的防水密封。在連接器與機(jī)箱之間，我們會(huì)安裝定制的導(dǎo)電密封橡膠墊，來實(shí)現(xiàn)連接器與機(jī)箱之間的防水密封，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)電磁屏蔽。

2.2 使用防水透氣閥

戶外密封電子設(shè)備因受濕度、溫度驟變等造成的氣壓失衡，產(chǎn)生“呼吸效應(yīng)”，往往會(huì)在設(shè)備內(nèi)部形成水汽凝結(jié)或積水[3]。氣壓變化尤其是內(nèi)部氣壓增大后，還會(huì)引起機(jī)箱內(nèi)部電路板焊盤剝離、微帶天線面鼓包等現(xiàn)象發(fā)生，致使器件損壞、性能指標(biāo)下降[4]。因此，戶外電子設(shè)備機(jī)箱的防水密封設(shè)計(jì)，需要考慮如何平衡機(jī)箱內(nèi)外氣壓[5]。

防水透氣閥能夠在有效阻攔水汽的同時(shí)，起到透氣的作用，平衡機(jī)箱內(nèi)外壓力差，防止機(jī)箱內(nèi)部產(chǎn)生凝露，保護(hù)機(jī)箱內(nèi)部元器件。

我們?cè)谘兄颇车孛嫱ㄓ嵲O(shè)備時(shí)，在機(jī)箱的左右兩側(cè)各安裝了一個(gè)防水透氣閥，考慮到需要同時(shí)滿足電磁屏蔽性能，我們選擇的是金屬外殼的防水透氣閥。使用了防水透氣閥后，該設(shè)備在經(jīng)過十個(gè)周期的濕熱試驗(yàn)后，開蓋檢查，機(jī)箱內(nèi)部無凝露現(xiàn)象；開機(jī)調(diào)試，設(shè)備能夠正常運(yùn)行，說明機(jī)箱內(nèi)部器件沒有問題。

3 戶外電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)

戶外電子設(shè)備根據(jù)其設(shè)備形態(tài)的不同，可分為手持式、背負(fù)式、固定式等。手持式設(shè)備一般要求重量輕、體積小，機(jī)箱底座可以采用整體銑削成型或整體開模，其加工精度高，機(jī)箱底座與上蓋之間的密封效果好。背負(fù)式和固定式設(shè)備，體積相對(duì)更大，機(jī)箱底座多采用鋁合金板材焊接而成，焊接后板材變形較大，會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱底座與上蓋之間產(chǎn)生較大的縫隙，從而使密封失效。

我們?cè)谘兄颇车孛嫱ㄓ嵲O(shè)備時(shí)，由于該設(shè)備整體體積較大，考慮到機(jī)箱底座整體銑削成型，加工成本太高，我們采用鋁合金板材焊接而成。設(shè)計(jì)時(shí)，除底板外，在機(jī)箱底座前后左右四個(gè)板的高度方向，留有1-2mm的加工余量；機(jī)箱底座頂面的焊接坡口深度也由之前的3mm增加到4-5mm。機(jī)箱底座焊接完成后，再機(jī)加工去掉上表面1-2mm的材料，密封圈的凹槽也是焊后加工，這樣就能很好的保證底座和上蓋接觸面的整體密封性能，如圖1所示。

第二批樣機(jī)生產(chǎn)時(shí)，我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，機(jī)箱底座前后左右四個(gè)板上事先加工出阻水凸臺(tái)，焊后該阻水凸臺(tái)形成一個(gè)封閉的矩形凸臺(tái)，可以在密封圈的基礎(chǔ)上形成二重防水密封，如圖2所示。

圖1 機(jī)箱的焊接加工 圖2 機(jī)箱上的阻水臺(tái)

3.2 鉚接件的處理

鋁板焊接機(jī)箱底座上往往會(huì)有很多壓鉚螺柱，用于固定機(jī)箱內(nèi)部板卡或者元器件。壓鉚螺柱與機(jī)箱底板之間會(huì)滲水，使機(jī)箱的整體水密封失效。

我們?cè)谘兄颇车孛嫱ㄓ嵲O(shè)備時(shí)，在壓鉚螺柱底孔的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)直徑11mm，深2mm的沉孔，用于螺柱鉚接后，在該處進(jìn)行堆膠密封，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)箱整體的水密封性能，如圖3所示。

3.3 粘接件的處理

機(jī)箱面板上往往會(huì)有指示燈，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件是導(dǎo)光柱。導(dǎo)光柱與機(jī)箱面板之間，我們常常采用點(diǎn)粘，但是針對(duì)戶外電子設(shè)備而言，點(diǎn)粘是不能夠滿足防水密封要求的。

我們?cè)谘兄颇车孛嫱ㄓ嵲O(shè)備時(shí)，在導(dǎo)光柱安裝孔位置處增加沉孔，用于粘接完成后，在該處堆膠密封，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的整體水密封，如圖4所示。

圖3 壓鉚螺柱的密封處理 圖4 導(dǎo)光柱的密封處理

3.4 密封圈的選用

通常，水密封和電磁屏蔽一起使用，若選用標(biāo)準(zhǔn)廠家生產(chǎn)的密封產(chǎn)品，不論密封條的形式是什么形式，廠家均給出了相應(yīng)型號(hào)的開槽尺寸，我們常用的是O型密封圈。O型密封圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝部位緊湊，具有自密封作用，不需要周期性調(diào)整，雖然接觸面積小，但承受界面壓力大，故密封效果較佳。

從密封功能上看，壓縮量最小值為8%，最大約為橡膠壓縮永久變形的30%以下。這和溝槽的尺寸有關(guān)，若壓縮太大，密封條失去彈性恢復(fù)的能力，密封性反而有所下降[1]。

螺釘或螺栓的預(yù)緊力是影響密封圈密封效果的重要因素之一。要使機(jī)殼密封面達(dá)到良好的密封效果，預(yù)緊力必須均勻地作用在密封件上[2]。因此，當(dāng)通過機(jī)殼密封面?zhèn)鬟f給密封件的預(yù)緊力一定時(shí)，采取減小螺釘或螺栓的直徑，增加螺釘或螺栓的個(gè)數(shù)的措施，使預(yù)緊力均勻，對(duì)于提高機(jī)殼密封面的密封效果是有利的。

螺釘安裝孔應(yīng)設(shè)計(jì)在密封圈的安裝槽的外側(cè)。如果螺釘安裝孔設(shè)計(jì)在密封圈安裝槽內(nèi)側(cè)，水汽就會(huì)通過螺釘安裝孔滲透進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部，導(dǎo)致機(jī)箱整體水密封失效。

4 結(jié)束語

戶外電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境越來越苛刻，給設(shè)計(jì)師們帶來了全新的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)人員需要從各個(gè)方面進(jìn)行分析和權(quán)衡，以期取得較好的綜合效果。電子設(shè)備的密封可更好的為內(nèi)部功能模塊提供保護(hù)，但同時(shí)也帶來了一系列問題[6]。本文闡述了地面通訊設(shè)備防水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇且必須解決的一系列問題，并結(jié)合工程研制實(shí)踐介紹了解決方案，希望能為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來啟示。