□ 于浚峰

中國(guó)空間技術(shù)研究院503所 北京 100086

電子設(shè)備防水密封結(jié)構(gòu)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

□ 于浚峰

中國(guó)空間技術(shù)研究院503所 北京 100086

環(huán)境中的溫度變化可導(dǎo)致電子設(shè)備的呼吸效應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部大量積水，其功能會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。分析了呼吸效應(yīng)的原理，介紹了常用防水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)做了比較，通過(guò)試驗(yàn)得到能夠防止呼吸效應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)形式及不同密封結(jié)構(gòu)的適用環(huán)境。

呼吸效應(yīng) 密封結(jié)構(gòu) 防水試驗(yàn)

電子設(shè)備的工作環(huán)境是千差萬(wàn)別的，有的在溫度、濕度適宜的室內(nèi)工作，有的在晝夜溫差大、濕度大的區(qū)域工作。在工程應(yīng)用中，要保證電子設(shè)備正常工作，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保證腔體密閉，進(jìn)行外殼防護(hù)，防護(hù)等級(jí)的高低依據(jù)工作環(huán)境而定。在實(shí)踐中，經(jīng)常遇到設(shè)備在防水試驗(yàn)中檢驗(yàn)合格，但交付用戶使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部有大量的積水，設(shè)備功能受到影響甚至發(fā)生設(shè)備短路現(xiàn)象。通過(guò)分析，這種進(jìn)水現(xiàn)象一般是由于設(shè)備在冷熱交變的惡劣環(huán)境中工作，引起的設(shè)備呼吸效應(yīng)所致。因此，研究不同密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)而找到預(yù)防電子設(shè)備發(fā)生呼吸效應(yīng)的密封方法，并驗(yàn)證其有效具有非常重要的意義。

1 呼吸效應(yīng)原理

理想氣體狀態(tài)方程為：

式中：P為氣體的壓強(qiáng)；V為氣體的體積；n為氣體的量；R為理想氣體常數(shù)；T為氣體的熱力學(xué)溫度。

由于電子設(shè)備腔體外部沒(méi)有氣體的量和體積的限制，所以當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，壓強(qiáng)幾乎不變，如果設(shè)備的工作環(huán)境近似為地球表面，其所處環(huán)境的氣體壓強(qiáng)近似恒定為1 atm。設(shè)溫度變化之前，腔體內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為P1，氣體的量為n1，氣體的溫度為T(mén)1；溫度變化之后，腔體內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為P2，氣體的量為n2，氣體的溫度為T(mén)2，則由式（1）得：

由于結(jié)構(gòu)件剛度相對(duì)較高，所以腔體的體積一般不會(huì)變化。因此，V1=V2，如果腔體的密封絕對(duì)有效，則

氣體的量不變，即n1=n2，則有：

式（4）表明，在絕對(duì)密封的腔體內(nèi)部，氣體的壓強(qiáng)變化與溫度變化同步，壓差和溫差同時(shí)存在。如果設(shè)備的密封措施不能夠抵抗此時(shí)的壓差，則密封將失效。

當(dāng)腔體有微小孔隙時(shí)，腔體內(nèi)外氣體發(fā)生流動(dòng)，使壓強(qiáng)平衡，即P1=P2，則有：

此時(shí)腔體內(nèi)部氣體的量與溫度變化成反比，溫度越高，內(nèi)部氣體的量越少，溫度降低，腔內(nèi)氣體的量增加。一年的四季變化，一天的早晚變化，甚至是大功率器件的開(kāi)機(jī)、停機(jī)，都會(huì)形成溫度的循環(huán)［1］，這就使有微小孔隙的腔體或采用了不能抵御此時(shí)壓差的密封結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備發(fā)生了“吸氣”、“吐氣”的呼吸效應(yīng)。

在設(shè)備表面有水覆蓋時(shí)，如果外部環(huán)境正處于降溫過(guò)程，呼吸效應(yīng)會(huì)直接導(dǎo)致孔隙吸水［2］；在氣體濕度大、外部溫度劇烈下降的情況下，腔體內(nèi)氣體中的水分子可能達(dá)到露點(diǎn)，其溫度下降并最終趨于與外部溫度相同，但下降速度滯后于腔體外部，在腔體內(nèi)壁上會(huì)有水滴凝結(jié)。設(shè)備內(nèi)部吸入或凝結(jié)的水不易排出，會(huì)逐漸積累，最終影響設(shè)備使用。

2 常用防水結(jié)構(gòu)分析

2.1 防水結(jié)構(gòu)形式

電子設(shè)備的防水結(jié)構(gòu)可分為以下3種形式：①封閉式方法：橡膠圈密封、焊接密封、膠接密封、灌封等；②開(kāi)放式方法：預(yù)設(shè)積水排水結(jié)構(gòu)法、通風(fēng)法等；③針對(duì)呼吸效應(yīng)的氣壓平衡法：人工肺方法、加裝防水透氣閥方法等。

2.2 防水結(jié)構(gòu)分析

（1）焊接密封可以使腔體內(nèi)部處于氣密封狀態(tài)，密封可靠，但設(shè)備維修性差。

（2）膠接密封操作簡(jiǎn)單，但密封膠容易老化，密封可靠性較差且可能影響產(chǎn)品外觀。

（3）灌封方法防水可靠，但影響產(chǎn)品散熱及維修。

（4）開(kāi)放式的方法由于使產(chǎn)品內(nèi)部不同程度與外界相通，對(duì)于接觸的防護(hù)減弱，產(chǎn)品易受灰塵異物或生物污染。

（5）人工肺方法對(duì)調(diào)節(jié)產(chǎn)品內(nèi)外壓差有效，但增加了產(chǎn)品的復(fù)雜性。

（6）防水透氣閥方法對(duì)于預(yù)防呼吸效應(yīng)引發(fā)的產(chǎn)品內(nèi)部積水問(wèn)題已被一些單位驗(yàn)證有效，在使用時(shí)閥的安裝位置要仔細(xì)考慮，避免閥被堵塞失效。

（7）橡膠圈密封方法及其相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)已被大量應(yīng)用在實(shí)踐當(dāng)中，其在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上易實(shí)現(xiàn)、易裝配。橡膠密封圈具有彈性高、不透水、不透氣、密度低，耐熱、寒、油、酸、堿、壓、磨等特點(diǎn)，它已成為密封結(jié)構(gòu)中最常用甚至是非用不可的密封材料［3］。

3 密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)比較

橡膠密封圈安裝在產(chǎn)品各層壓接面處，被結(jié)構(gòu)件壓縮發(fā)生變形，形成預(yù)壓力起到密封作用。橡膠密封圈的變形量在30%左右較為適宜，變形量太小，則密封不可靠；變形量太大，對(duì)密封的效果增加有限，但會(huì)加速橡膠圈的老化損壞。結(jié)構(gòu)件壓接面表面粗糙度的要求為Ra1.6。橡膠密封圈的截面形狀及相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)有很多種，如唇形、方形、圓形、橢圓形、門(mén)形、O形、U形、V形、Y形、J形、L形等等［3］，在實(shí)踐中均有廣泛應(yīng)用。

▲圖1 密封結(jié)構(gòu)示意圖

本文對(duì)圖1中的 （a）、（b）、（c）、（d）4種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較。

圖1（a）所示的密封結(jié)構(gòu)能精確控制橡膠圈的變形量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚較薄，但結(jié)構(gòu)的對(duì)接面直接面對(duì)外界，吸水壓力直接作用在接縫處，密封可靠性一般。圖1（b）為圖1（a）的升級(jí)形式，密封圈嵌入密封槽的同時(shí)在上下層結(jié)構(gòu)件端面之間形成密封墊，密封可靠性大大增強(qiáng)，但橡膠圈的變形量是受螺釘預(yù)緊力的影響，不能精確控制，并且橡膠圈的外側(cè)裸露在產(chǎn)品表面，影響產(chǎn)品的外觀和橡膠圈的壽命。圖1（c）、（d）上下層結(jié)構(gòu)件外側(cè)有一段套接，避免了吸水壓力直接作用在接縫處，增大進(jìn)水阻力。圖1（c）克服了圖1（b）的缺點(diǎn)，能精確控制橡膠圈的變形量又不影響產(chǎn)品的外觀。圖1（d）上層結(jié)構(gòu)壓接面具有凸緣，嵌入密封槽內(nèi)，這樣可對(duì)進(jìn)水壓力形成曲折路徑，另外凸緣壓接面積小，易保證表面粗糙度，此密封結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性。圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是增加結(jié)構(gòu)壁厚，增大整機(jī)質(zhì)量。圖1所有密封結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)卡口既有定位功能又有進(jìn)一步阻水的功能。

4 工程案例及防水試驗(yàn)

某型號(hào)車載通信定位終端，采用圖1（a）的密封結(jié)構(gòu)，達(dá)到了國(guó)軍標(biāo)中程序1規(guī)定的降雨和吹雨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［4］。為進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的防水性能，對(duì)車載終端進(jìn)行浸水試驗(yàn)，常溫常壓下，水面沒(méi)過(guò)終端靜置3～4 h后拆

機(jī)檢查，內(nèi)部未進(jìn)水。產(chǎn)品交付用戶，在新疆使用6個(gè)月后，終端無(wú)法繼續(xù)工作，內(nèi)部發(fā)現(xiàn)積水，見(jiàn)圖2產(chǎn)品內(nèi)部腐蝕情況。

車載終端通過(guò)了防水試驗(yàn)，但在實(shí)際使用后發(fā)生內(nèi)部積水，其原因在于產(chǎn)品在晝夜溫差大的新疆工作，是使用環(huán)境引起的設(shè)備呼吸效應(yīng)。產(chǎn)品發(fā)生吸水現(xiàn)象，主要是發(fā)生在降溫過(guò)程，在實(shí)際使用中這種工況是可能的，例如，夏季暴曬后突降暴雨。為模擬此類工況，進(jìn)行升溫沖水試驗(yàn)：把產(chǎn)品放入高低溫試驗(yàn)箱 （銀河KWGD6025Ⅱ）中進(jìn)行升溫，將溫度設(shè)定到65℃（根據(jù)設(shè)備實(shí)際戶外使用溫度并留有余量），保溫1h，由式（4）得到：此時(shí)產(chǎn)品的內(nèi)外壓差約0.2 atm。然后將設(shè)備放到噴頭下用冷水沖淋（此方法模擬了產(chǎn)品處于降溫過(guò)程中，并且表面覆蓋水流的工況）。重復(fù)升溫沖水3次，拆開(kāi)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有積水。試驗(yàn)驗(yàn)證了降溫引起的壓差可使產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)水，因此圖1（a）的密封結(jié)構(gòu)不能抵御此壓差，達(dá)不到有效的密封。

對(duì)采用圖1（b）、（c）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進(jìn)行同樣的升溫沖水試驗(yàn)，產(chǎn)品內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)積水。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明圖1（b）、圖1（c）的結(jié)構(gòu)可以有效防止由溫度變化而引起的0.2 atm壓差的呼吸效應(yīng)。

對(duì)采用圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品用精密產(chǎn)品防水測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。將產(chǎn)品放置在防水測(cè)試儀儲(chǔ)水筒內(nèi)臺(tái)面上，臺(tái)面升至水面上方，扣合筒蓋，對(duì)儲(chǔ)水筒進(jìn)行充壓，將充氣壓強(qiáng)調(diào)至0.9 atm，留有充分的安全余量 （一般地面應(yīng)用產(chǎn)品的使用環(huán)境溫差不會(huì)超過(guò)100℃，由式（4）可知，當(dāng)溫差為100℃時(shí)，壓差為0.366 atm），充壓穩(wěn)定后保壓，再將臺(tái)面降至水下，使產(chǎn)品沒(méi)入水中，穩(wěn)定后放壓，觀察產(chǎn)品結(jié)構(gòu)接縫處是否有氣泡出現(xiàn)，如有氣泡，說(shuō)明產(chǎn)品的密封不能抵御所加載的壓強(qiáng)。在對(duì)圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進(jìn)行的防水測(cè)試中，未見(jiàn)氣泡出現(xiàn)。試驗(yàn)說(shuō)明圖1（c）、（d）密封結(jié)構(gòu)能抵御0.9 atm的壓差，可以滿足地面應(yīng)用設(shè)備防止呼吸效應(yīng)的要求。

▲圖2 產(chǎn)品內(nèi)部積水腐蝕

▲圖3 升溫沖水試驗(yàn)

▲圖4 防水耐壓測(cè)試

5 結(jié)論

圖1（a）所示的密封結(jié)構(gòu)對(duì)于在常溫常壓下使用的產(chǎn)品，其防水功能是有效的，但在溫度變化大有壓差的情況下，其密封可能會(huì)失效。圖1（b）、（c）、（d）可以預(yù)防地面應(yīng)用設(shè)備的呼吸效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)品提供有效的密封防護(hù)。圖1（b）能抵御至少0.2 atm的壓差，圖1（c）、圖1（d）能抵御至少0.9 atm的壓差。對(duì)于已經(jīng)采用了圖1（a）密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，在出現(xiàn)呼吸效應(yīng)后，綜合考慮產(chǎn)品的維修性、經(jīng)濟(jì)性，可改用圖1（b）、（c）、（d）形式解決問(wèn)題；對(duì)于新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，應(yīng)考慮產(chǎn)品的使用環(huán)境，合理選擇密封結(jié)構(gòu)。

［1］龔光福.呼吸效應(yīng)研究 ［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2009,7（3）: 236-244.

［2］徐紅.海用露天電子設(shè)備防凝露設(shè)計(jì)概述［J］.電子機(jī)械工程,2004,20（3）:24-26.

［3］生建友.小型電子設(shè)備機(jī)箱的密封設(shè)計(jì)［J］.電子工藝技術(shù), 2001,22（1）:214-217.

［4］GJB150.8A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第8部分：淋雨試驗(yàn)［S］.

［5］張萬(wàn)俊.背負(fù)式電子設(shè)備的密封設(shè)計(jì)［J］.艦船電子工程, 2012,32（8）:149-151.

［6］孫海龍,王曉慧.艦載電子設(shè)備三防密封設(shè)計(jì)技術(shù)綜述［J］.裝備環(huán)境工程,2008,5（5）:49-52.

（編輯 美 華）

TP271.4；TB42

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1000-4998（2015）10-0056-03

2015年4月