電子設備防水密封結構分析及試驗驗證

□ 于浚峰

中國空間技術研究院503所 北京 100086

電子設備防水密封結構分析及試驗驗證

□ 于浚峰

中國空間技術研究院503所 北京 100086

環境中的溫度變化可導致電子設備的呼吸效應，導致設備內部大量積水，其功能會遭到嚴重破壞。分析了呼吸效應的原理，介紹了常用防水結構的特點，對密封結構的特點做了比較，通過試驗得到能夠防止呼吸效應的密封結構形式及不同密封結構的適用環境。

呼吸效應 密封結構 防水試驗

電子設備的工作環境是千差萬別的，有的在溫度、濕度適宜的室內工作，有的在晝夜溫差大、濕度大的區域工作。在工程應用中，要保證電子設備正常工作，需要在結構設計中保證腔體密閉，進行外殼防護，防護等級的高低依據工作環境而定。在實踐中，經常遇到設備在防水試驗中檢驗合格，但交付用戶使用一段時間后，發現設備內部有大量的積水，設備功能受到影響甚至發生設備短路現象。通過分析，這種進水現象一般是由于設備在冷熱交變的惡劣環境中工作，引起的設備呼吸效應所致。因此，研究不同密封結構的特點，進而找到預防電子設備發生呼吸效應的密封方法，并驗證其有效具有非常重要的意義。

1 呼吸效應原理

理想氣體狀態方程為：

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

由于電子設備腔體外部沒有氣體的量和體積的限制，所以當溫度發生變化時，壓強幾乎不變，如果設備的工作環境近似為地球表面，其所處環境的氣體壓強近似恒定為1 atm。設溫度變化之前，腔體內氣體的壓強為P1，氣體的量為n1，氣體的溫度為T1；溫度變化之后，腔體內氣體的壓強為P2，氣體的量為n2，氣體的溫度為T2，則由式（1）得：

由于結構件剛度相對較高，所以腔體的體積一般不會變化。因此，V1=V2，如果腔體的密封絕對有效，則

氣體的量不變，即n1=n2，則有：

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

當腔體有微小孔隙時，腔體內外氣體發生流動，使壓強平衡，即P1=P2，則有：

此時腔體內部氣體的量與溫度變化成反比，溫度越高，內部氣體的量越少，溫度降低，腔內氣體的量增加。一年的四季變化，一天的早晚變化，甚至是大功率器件的開機、停機，都會形成溫度的循環［1］，這就使有微小孔隙的腔體或采用了不能抵御此時壓差的密封結構的電子設備發生了“吸氣”、“吐氣”的呼吸效應。

在設備表面有水覆蓋時，如果外部環境正處于降溫過程，呼吸效應會直接導致孔隙吸水［2］；在氣體濕度大、外部溫度劇烈下降的情況下，腔體內氣體中的水分子可能達到露點，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，在腔體內壁上會有水滴凝結。設備內部吸入或凝結的水不易排出，會逐漸積累，最終影響設備使用。

2 常用防水結構分析

2.1 防水結構形式

電子設備的防水結構可分為以下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開放式方法：預設積水排水結構法、通風法等；③針對呼吸效應的氣壓平衡法：人工肺方法、加裝防水透氣閥方法等。

2.2 防水結構分析

（1）焊接密封可以使腔體內部處于氣密封狀態，密封可靠，但設備維修性差。

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

（3）灌封方法防水可靠，但影響產品散熱及維修。

（4）開放式的方法由于使產品內部不同程度與外界相通，對于接觸的防護減弱，產品易受灰塵異物或生物污染。

（5）人工肺方法對調節產品內外壓差有效，但增加了產品的復雜性。

（6）防水透氣閥方法對于預防呼吸效應引發的產品內部積水問題已被一些單位驗證有效，在使用時閥的安裝位置要仔細考慮，避免閥被堵塞失效。

（7）橡膠圈密封方法及其相應的密封結構已被大量應用在實踐當中，其在電子產品結構設計上易實現、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，它已成為密封結構中最常用甚至是非用不可的密封材料［3］。

3 密封結構的特點比較

橡膠密封圈安裝在產品各層壓接面處，被結構件壓縮發生變形，形成預壓力起到密封作用。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，對密封的效果增加有限，但會加速橡膠圈的老化損壞。結構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的密封結構有很多種，如唇形、方形、圓形、橢圓形、門形、O形、U形、V形、Y形、J形、L形等等［3］，在實踐中均有廣泛應用。

▲圖1 密封結構示意圖

本文對圖1中的 （a）、（b）、（c）、（d）4種密封結構進行分析比較。

圖1（a）所示的密封結構能精確控制橡膠圈的變形量，結構簡單，壁厚較薄，但結構的對接面直接面對外界，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）的升級形式，密封圈嵌入密封槽的同時在上下層結構件端面之間形成密封墊，密封可靠性大大增強，但橡膠圈的變形量是受螺釘預緊力的影響，不能精確控制，并且橡膠圈的外側裸露在產品表面，影響產品的外觀和橡膠圈的壽命。圖1（c）、（d）上下層結構件外側有一段套接，避免了吸水壓力直接作用在接縫處，增大進水阻力。圖1（c）克服了圖1（b）的缺點，能精確控制橡膠圈的變形量又不影響產品的外觀。圖1（d）上層結構壓接面具有凸緣，嵌入密封槽內，這樣可對進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，此密封結構具有較高的可靠性。圖1（c）、（d）密封結構的缺點是增加結構壁厚，增大整機質量。圖1所有密封結構內側卡口既有定位功能又有進一步阻水的功能。

4 工程案例及防水試驗

某型號車載通信定位終端，采用圖1（a）的密封結構，達到了國軍標中程序1規定的降雨和吹雨試驗標準［4］。為進一步驗證產品的防水性能，對車載終端進行浸水試驗，常溫常壓下，水面沒過終端靜置3～4 h后拆

機檢查，內部未進水。產品交付用戶，在新疆使用6個月后，終端無法繼續工作，內部發現積水，見圖2產品內部腐蝕情況。

車載終端通過了防水試驗，但在實際使用后發生內部積水，其原因在于產品在晝夜溫差大的新疆工作，是使用環境引起的設備呼吸效應。產品發生吸水現象，主要是發生在降溫過程，在實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，進行升溫沖水試驗：把產品放入高低溫試驗箱 （銀河KWGD6025Ⅱ）中進行升溫，將溫度設定到65℃（根據設備實際戶外使用溫度并留有余量），保溫1h，由式（4）得到：此時產品的內外壓差約0.2 atm。然后將設備放到噴頭下用冷水沖淋（此方法模擬了產品處于降溫過程中，并且表面覆蓋水流的工況）。重復升溫沖水3次，拆開產品發現內部有積水。試驗驗證了降溫引起的壓差可使產品內部進水，因此圖1（a）的密封結構不能抵御此壓差，達不到有效的密封。

對采用圖1（b）、（c）密封結構的產品進行同樣的升溫沖水試驗，產品內部未發現積水。試驗結果說明圖1（b）、圖1（c）的結構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。

對采用圖1（c）、（d）密封結構的產品用精密產品防水測試儀進行測試。將產品放置在防水測試儀儲水筒內臺面上，臺面升至水面上方，扣合筒蓋，對儲水筒進行充壓，將充氣壓強調至0.9 atm，留有充分的安全余量 （一般地面應用產品的使用環境溫差不會超過100℃，由式（4）可知，當溫差為100℃時，壓差為0.366 atm），充壓穩定后保壓，再將臺面降至水下，使產品沒入水中，穩定后放壓，觀察產品結構接縫處是否有氣泡出現，如有氣泡，說明產品的密封不能抵御所加載的壓強。在對圖1（c）、（d）密封結構的產品進行的防水測試中，未見氣泡出現。試驗說明圖1（c）、（d）密封結構能抵御0.9 atm的壓差，可以滿足地面應用設備防止呼吸效應的要求。

▲圖2 產品內部積水腐蝕

▲圖3 升溫沖水試驗

▲圖4 防水耐壓測試

5 結論

圖1（a）所示的密封結構對于在常溫常壓下使用的產品，其防水功能是有效的，但在溫度變化大有壓差的情況下，其密封可能會失效。圖1（b）、（c）、（d）可以預防地面應用設備的呼吸效應，對產品提供有效的密封防護。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。對于已經采用了圖1（a）密封結構的產品，在出現呼吸效應后，綜合考慮產品的維修性、經濟性，可改用圖1（b）、（c）、（d）形式解決問題；對于新設計的產品，應考慮產品的使用環境，合理選擇密封結構。

［1］龔光福.呼吸效應研究 ［J］.雷達科學與技術,2009,7（3）: 236-244.

［2］徐紅.海用露天電子設備防凝露設計概述［J］.電子機械工程,2004,20（3）:24-26.

［3］生建友.小型電子設備機箱的密封設計［J］.電子工藝技術, 2001,22（1）:214-217.

［4］GJB150.8A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第8部分：淋雨試驗［S］.

［5］張萬俊.背負式電子設備的密封設計［J］.艦船電子工程, 2012,32（8）:149-151.

［6］孫海龍,王曉慧.艦載電子設備三防密封設計技術綜述［J］.裝備環境工程,2008,5（5）:49-52.

（編輯 美 華）

TP271.4；TB42

A

1000-4998（2015）10-0056-03

2015年4月