Undgå akkumulering af fugt og vand i ’tætte’ apparater med EquiLung

Temperaturændringer giver ændret tryk

Når et ’tæt’ apparat (dvs. et apparat med høj IP-klasse) udsættes for temperaturændringer, ændres trykket inde i apparatet tilsvarende. Ved lavere temperaturer vil trykket i apparatet være lavere end omgivelsernes tryk, mens det ved højere temperaturer vil være højere.

En hurtig afkøling af apparatet kan fx ske under regnvejr, vask med en højtryksrenser eller ved almindelige døgnvariationer i temperaturen.

Trykreduktion kan skabe indtrængning af vand og luft

Afkøling og den resulterende trykreduktion giver anledning til følgende typiske problemer:

1. Indtrængning af flydende vand igennem pakninger, kabler og kabelgennemføringer. Ses normalt som større dråber eller ansamlinger af vand, der forsvinder langsomt efter åbning af apparatet.
2. Indtrængning af fugtig luft (med vand på gasform, dvs. vanddamp) igennem pakninger, kabler og kabelgennemføringer. Ses normalt som et fint kondenslag, der hurtigt forsvinder efter åbning af apparatet.

I nogle tilfælde kan trykforskellen blive høj nok til at trykke pakninger ind og dermed give endnu større utætheder. Flydende vand eller ’bare’ høj relativ fugtighed inde i apparatet resulterer typisk i:

• Kondens
• Elektrolytisk migration
• Korrosion
• Forhøjede lækstrømme
• Egentlige kortslutning
• Degradering af isolationsmaterialer mm.

Et typisk eksempel på fugt-/vandakkumulering er vist på figur 1.

Hvordan kan problemerne med indtrængning afhjælpes?

Problem 1, beskrevet ovenfor, kan normalt afhjælpes ved at bore et passende hul i bunden af apparatet (5-10 mm i diameter) eller ved at anvende en membran*, populært kaldet en ’Gore-Tex®-membran’. Den sidstnævnte løsning er klart bedst, hvis der er risiko for støv eller vandsprøjt fra flere sider, som ville kunne komme direkte ind gennem et boret hul.

Ingen af løsningerne kan imidlertid forhindre problem 2 i at opstå. Fugtig luft vil stadigvæk kunne akkumuleres i apparatet ved diffusion ind ad et hul eller igennem membranen. Det betyder i praksis, at fugten inde i apparatet før eller siden bliver som fugten i omgivelserne – eller endnu værre. Hvis apparatet har en betydende termisk masse indeni, kan der nemlig opstå såkaldt ’fugtakkumulering’. Det kan give risiko for kondensnedslag på kritiske dele.

EquiLung – en mulig løsning

FORCE Technology arbejder på en løsning, der skal kunne forhindre både indtrængning af flydende vand og fugtig luft ved trykændringer. Løsningen kalder vi for EquiLung (Equipment Lung).

EquiLung er en del af FORCE Technology’s projekt for Uddannelses- og Forskningsstyrelsen ’Længe leve produkter og materialer’. Projektet handler grundlæggende om at sikre mere bæredygtige produkter med længere og kendt levetid.

Sådan virker EquiLung

En EquiLung er i praksis en ballon eller pose (rød), der placeres i en åbning i apparatet, som vist på figur 2.

På figuren er: E apparatet, V er apparatets frie volumen, M er en termisk masse (fx transformator, stor kondensator, spole e.l.), og L er den ækvivalente læk (huldiameter) fra ikke-ideelle pakninger, kabelgennemføringer og kabler (pga. flow langs med lederne i kablet). Typiske værdier for L er 0,01 - 0,3 mm for ’tætte’ apparater.

Trykændringer forårsaget af temperaturændringer

Hvis det antages, at temperaturen på figur 2 har været stabil længe ved 25 °C, er der ikke nogen trykforskel imellem det indre og ydre af apparatet. Dermed er der heller ikke noget luftflow igennem L, og EquiLung ændrer ikke form.

Hvis temperaturen af apparatet nu ændres til 10 °C, eksempelvis pga. et regnvejr eller ved vask med en højtryksrenser, vil luften inde i apparatet trække sig sammen og trykket falde tilsvarende. Resultatet ses på figur 3.

Ifølge idealgasligningen (P * V = n * R * T) er trykreduktionen ca. 5 % eller 5500 Pa. Det betyder, at apparatets vægge, pakninger og kabelgennemføringer trykkes indad med ca. 550 kg pr. m2, dvs. en stor belastning.

Uden EquiLung (til venstre) giver trykforskellen anledning til et flow af luft ind i apparatet igennem L, som vist med den blå pil. Under regn eller højtryksrensning er luften tæt på at være mættet med vanddamp, og måske endda fyldt med små dråber, der trykkes med ind i apparatet.

Med EquiLung (til højre) trykkes luften ind i den tætte EquiLung, som pustes op. Oppustningen udligner trykforskellen imellem apparatet og omgivelserne. Hvis EquiLungen er let at puste op, og diameteren af dens tilslutning er meget større end L, bliver luftflowet igennem L ideelt set nul.

Hvis temperaturen af apparatet nu øges til over 25 °C, eksempelvis 40 °C, sker det modsatte, som vist på figur 4.

Nu ekspanderer luften i apparatet i stedet, og trykket stiger.

Uden EquiLung (til venstre) giver trykforskellen nu et flow af luft ud af apparatet igennem L, som vist med den blå pil.

Med EquiLung (til højre) trykkes luften ud af den tætte EquiLung, som presses sammen. Trykforskellen imellem apparatets indre og ydre er igen udlignet, og luftflowet igennem L er ideelt set nul.

Under hvilke forhold fungerer EquiLung bedst?

Umiddelbare krav for bedst funktion af EquiLung er:

• Den skal være mekanisk stærk.
• Den skal være diffusionstæt (< 0,01 gH2O / m2 * dag).
• Den skal være lufttæt.
• Den skal være let at puste op og trykke sammen (ideelt set uden kraft).

Eksempler på passende kandidater er:

• Metalliseret (> 5-10 µm) polymer-’ballon’ eller -pose (fx metalliseret PE/PET)
• Gummi-’ballon’ (i eksempelvis butylgummi)

Feasibility study af EquiLung

EquiLung virker på papiret, og det er testet i praksis, at EquiLung beskytter mod fugt og vand i elektroniske apparater.

Der er gennemført to forskellige testforløb:

• 10-30 døgns HACT (Highly Accelerated Corrosion Test), periodisk oversprøjtning med vand uden salt
• 10-30 døgns cyklisk fugt efter IEC 60068-2-38, Test Z/AD (Composite temperature/humidity cyclic test)

De to test er valgt for at kunne adskille virkningen af indtrængning af hhv. flydende vand og vanddamp, og vanddamp alene, under skiftende temperaturer og høj fugtighed. Flere forskellige typer EquiLung er testet i en standard-elektronikboks (aluminium) med IP-69 tæthedsklasse.

* Ordet ’membran’ bruges også ofte i forbindelse med ’åndbart’ stof til tøj, og kan dermed skabe forvirring. En ’ægte’ Gore-Tex®-membran er lavet af ekspanderet PTFE (PolyTetraFluorEtylene eller Teflon). I praksis er der tale om et materiale med en masse små huller, hvor luft og vand i gasform kan slippe igennem, men ikke flydende vand.

Kilde: SPM-rapport 176 ”Humidity testing of electronics and mechanics”.