會(huì)“呼吸”的防水透氣閥：小閥門中有大門道！

作為電子工程師，想必大家對(duì)于暴露在戶外惡劣環(huán)境中的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會(huì)有些心得，做好防水防塵設(shè)計(jì)、將內(nèi)部核心組件與外部環(huán)境隔離開，是其中的關(guān)鍵要訣。不過，在有些應(yīng)用中，情況并沒有那么簡(jiǎn)單。

比如，在實(shí)際應(yīng)用中，有些設(shè)備會(huì)因?yàn)橥獠凯h(huán)境和天氣的變化，以及內(nèi)部電子元器件工作時(shí)發(fā)熱，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部氣體產(chǎn)生熱脹冷縮的變化，造成設(shè)備內(nèi)外部的氣壓差。在這種壓力差的作用下，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備密封蓋板的變形，或者由于氣體反復(fù)進(jìn)出產(chǎn)生的“呼吸效應(yīng)”，加速密封件的老化，使得水汽等雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)而造成電子元器件的失效、老化甚至是設(shè)備故障。

想要解決此類可靠性問題，就需要我們這篇文章的主角登場(chǎng)了，它就是——防水透氣閥。

初識(shí)防水透氣膜

從名稱中就可以看出，這個(gè)閥門有兩個(gè)作用：

• 一個(gè)是防水，即根據(jù)需要隔絕液體水或者是水霧/氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部；

• 二是在防水的同時(shí)能夠允許氣體自由通過，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)外部的壓力平衡。

經(jīng)由防水透氣閥的氣體交換過程，好似設(shè)備根據(jù)內(nèi)外部氣壓的大小進(jìn)行“呼吸”，因此也被稱為“呼吸器”。

防水透氣閥之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能，其秘訣就在于閥門中有一層高分子材料制成的防水透氣薄膜，該薄膜上面有很多微孔，其直徑（通常為幾百納米到幾十微米）是水滴直徑的數(shù)千分之一，同時(shí)又是空氣中氣體分子的1,000倍左右，因此也就具有了“阻水通氣”的特性。防水透氣閥的通氣量，一般取決于高分子薄膜的開孔率、厚度和孔徑等參數(shù)，通過調(diào)整這些參數(shù)就能制造出不同規(guī)格的產(chǎn)品。

當(dāng)然，防水透氣閥也不是實(shí)現(xiàn)“防水透氣”這個(gè)目標(biāo)唯一的技術(shù)路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)相似功能的方案還有氣囊和透氣孔。前者是通過在密封設(shè)備腔體上外接一個(gè)氣囊，來應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的氣壓變化，但氣囊容易破損且安放需要預(yù)留足夠的空間，所以適用范圍有限；后者則是通過迷宮式的氣道設(shè)計(jì)，盡可能在通氣的同時(shí)阻止水和灰塵等異物的進(jìn)入，但總是難免有“漏網(wǎng)之魚”，使得防水防塵的性能打折扣。因此相較而言，防水透氣閥是一個(gè)更優(yōu)的解決方案。

圖1：防水透氣膜在防水的同時(shí)能夠允許氣體自由通過，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)外部的壓力平衡

（圖源：Amphenol LTW）

防水透氣閥的典型應(yīng)用

正是因?yàn)榉浪笟忾y的特性優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用十分廣泛。

防水透氣閥在通信行業(yè)也是不可或缺的存在。無線基站等通信基礎(chǔ)設(shè)施所處的環(huán)境復(fù)雜，且位置分散、維護(hù)難度大，而其對(duì)可靠性又有很高的要求。

有分析表明，戶外通信設(shè)備在夏季白天工作時(shí)，由于溫度的上升會(huì)在設(shè)備殼體內(nèi)部產(chǎn)生至少100mbar的正壓，如果密閉殼體內(nèi)的空氣無法排出，這些壓力會(huì)聚集在密封件、連接器等殼體上比較薄弱的地方；而當(dāng)遇到寒冷天氣，設(shè)備內(nèi)部的空氣又會(huì)因收縮形成負(fù)壓，外部較高的氣壓同樣會(huì)在殼體薄弱處產(chǎn)生較大應(yīng)力。這樣的情況反復(fù)循環(huán)出現(xiàn)，就會(huì)加速密封件的老化，減弱設(shè)備抵御惡劣環(huán)境的能力，對(duì)可靠性產(chǎn)生不良影響。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，防水透氣閥顯然是不二之選。

防水透氣閥還有一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景，就是在光伏行業(yè)中。與其他戶外設(shè)備相類似，太陽能設(shè)備內(nèi)部也會(huì)因元件散熱和天氣條件引起的溫度變化，產(chǎn)生較大的氣壓差，熱量和壓力的積聚會(huì)使得設(shè)備內(nèi)部一些關(guān)鍵組件變形或者失效，也容易將外界環(huán)境中的水汽、灰塵等吸入設(shè)備內(nèi)部，引發(fā)短路、腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)，影響設(shè)備使用壽命。因此，通過防水透氣閥來實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)外的壓力平衡，也就成了保障光伏設(shè)備性能和可靠性，延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵一環(huán)。

如果仔細(xì)觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)防水透氣閥的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多，在設(shè)備殼體需要良好密封性和透氣性的場(chǎng)合，防水透氣閥都可以大顯身手。

圖2：防水透氣閥的典型應(yīng)用場(chǎng)景

（圖源：Amphenol LTW）

選擇合適的防水透氣閥

防水透氣閥應(yīng)用的拓展也催生出了豐富的產(chǎn)品組合，它們按照材質(zhì)可以分為金屬和塑料類型，按照安裝方式有螺紋和卡入式等不同的產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選型。

雖然防水透氣閥的產(chǎn)品形態(tài)各異，但在選型時(shí)還是有幾個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo)和特性需要重點(diǎn)權(quán)衡。

防護(hù)性能

也就是我們常說的IP防護(hù)等級(jí)，它代表產(chǎn)品防水防塵能力的大小，一般防水透氣閥都需要達(dá)到IP65至IP68甚至更高的等級(jí)。

透氣量

這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)反映的是透氣閥快速平衡壓力的能力，即在一定氣壓下，單位面積單位時(shí)間的透氣量。業(yè)內(nèi)通行的方法是以70mbar下每平方厘米的透氣效果來衡量。

環(huán)境耐受性

包括結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固耐用性，以及耐溫度、耐腐蝕、阻燃性、抗氧化性等，這些特性對(duì)于長(zhǎng)期暴露在惡劣環(huán)境中的防水透氣閥來講，自然十分重要。

產(chǎn)品易用性

產(chǎn)品的安裝是否方便快捷，是否有效減少維護(hù)成本，這也是要重點(diǎn)考量的一個(gè)特性。有些防水透氣閥還會(huì)根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，強(qiáng)化產(chǎn)品的適用性和易用性。

Amphenol LTW可以提供綜合性能出色、類型豐富的防水透氣閥產(chǎn)品，這些產(chǎn)品基于高性能的疏水/疏油膜而構(gòu)建，滿足IP68 / IP69K的防護(hù)等級(jí), 可防止液體、油和水分進(jìn)入, 并減少密封外殼中的冷凝。

這些防水透氣閥包括鋁合金、不銹鋼、塑膠等多種類型，提供螺紋及卡入式不同的鎖合方式，透氣性高達(dá)10,000 ml/min @ 70mbar，阻燃等級(jí)達(dá)到UL 94V-0，工作溫度范圍-40°C至+125°C（或+150°C），可以說能夠覆蓋大多數(shù)密封防水和平衡透氣的應(yīng)用場(chǎng)景要求。

圖3：Amphenol LTW的防水透氣閥產(chǎn)品

（圖源：Amphenol LTW）

值得一提的是，在提供多樣化產(chǎn)品組合的同時(shí)，Amphenol LTW還在提升選型便利性方面為開發(fā)者準(zhǔn)備了快速易用的產(chǎn)品選型工具。眾所周知，最終選擇哪款防水透氣閥，氣壓平衡時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，確定它要根據(jù)透氣量、腔體體積、環(huán)境溫度等各種參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

為了簡(jiǎn)化這一計(jì)算工作，Amphenol LTW提供了一款透氣閥平衡時(shí)間的在線計(jì)算器，輸入?yún)?shù)后便可快速得出結(jié)果，用戶按圖索驥，更容易找到心儀的防水透氣閥。

圖4：防水透氣閥平衡時(shí)間在線計(jì)算器

（圖源：Amphenol LTW）

本文小結(jié)

設(shè)計(jì)在惡劣環(huán)境中工作的設(shè)備，可靠性是重中之重。在確保設(shè)備可靠性的諸多舉措中，防水透氣閥的作用不容小覷，在這個(gè)小閥門身上，蘊(yùn)含著不少門道。參透了其中的訣竅，才能夠像Amphenol LTW這樣，為各類應(yīng)用提供高性能、多樣性的解決方案。想選擇一款可靠的透氣閥，就來這里看看吧——

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