SPM - Viden for fremtiden
SPM er et netværk for elektronikvirksomheder, komponentleverandører og virksomheder, der benytter elektronik i sine produkter.
Teknologien EquiLung, som kan forhindre akkumulering af fugt og vand, er nu testet i praksis – og med succes.
EquiLung forhindrer vandindtrængning
EquiLung er en pose eller en ballon, som kan monteres i et ”tæt” apparat for at undgå indtrængning af flydende vand eller fugtig luft igennem pakninger, kabler og kabelgennemføringer.
Et ”tæt” apparat skal forstås som et ikke-hermetisk apparat med høj IP-klasse, hvorfra vand ikke kan komme ud. Her vil vi fokusere på effekten over for indtrængning af flydende vand.
Temperaturændringer påvirker trykket
Når et ”tæt” apparat udsættes for temperaturændringer, ændres trykket inden 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.
Sådan kan flydende vand eller fugtig luft trænge ind
Den trykreduktion, som afkølingen af apparatet forårsager, giver anledning til følgende typiske problemer:
- Indtrængning af flydende vand igennem pakninger, kabler og kabelgennemføringer. Dette ses normalt som større dråber eller ansamlinger af vand, der forsvinder langsomt efter åbning af apparatet.
- Indtrængning af fugtig luft (med vand på gasform) igennem pakninger, kabler og kabelgennemføringer. Dette ses normalt som et fint kondenslag, der hurtigt forsvinder efter åbning af apparatet.
Figur 1 viser resultatet af en simpel test af to ”tætte” apparater. De er her repræsenteret ved to ens typiske kasser til elektronik, som har været udsat for først konstant varme (85 grader) til termisk stabilitet og derefter oversprøjtning med koldt vand i mindst 2 min. fra en håndbruser.
Begge kasser har forinden fået monteret en studs med en slange, der går ned i et glas med farvet vand (rødt). Hvis der kommer undertryk i kasserne, vil vandet suges op i kasserne.
EquiLung udligner trykket
Som det ses, har EquiLung udlignet trykket i kassen til venstre, idet den har udvidet sig. Der er ikke trængt vand ind. I den højre kasse er der kommet undertryk, og et volumen væske svarende til forskellen i volumenændringen af luften er blevet suget op i kassen.
Det ser altså umiddelbart ud til, at EquiLung virker i praksis, når det handler om at udligne et tryk i et ”tæt” apparat forårsaget af temperaturændringer.
Hvor effektiv er EquiLung ved utætheder?
EquiLungs evne til at kompensere for en given utæthed bestemmes først og fremmest af, hvor meget tryk der skal til for at deformere den (hhv. pumpe den op og tømme den for luft).
Størrelsesordenen for trykændringer pga. typiske temperaturændringer (30 grader) er ca. 10 %, dvs. 100 hPa = mbar (atmosfæretrykket er ca. 1000 hPa = mbar).
Test i HALT-kammer uden EquiLung
På Figur 2 ses resultatet af en temperaturtest på en 3.1 L IP67 elektronikkasse af aluminium uden EquiLung.
Kassen er blevet udsat for hurtige termiske cykler imellem -5 og 55 grader i et HALT-kammer med højt luftflow. Skiftetiden for temperaturen er lige under 10 min. Derudover er trykket i elektronikkassen blevet målt.
Det ses, at skiftetiden for trykket er næsten lige så kort som for temperaturen. Man kan altså godt regne med, at trykket i kassen følger temperaturændringen mere eller mindre direkte.
Test i HALT-kammer med EquiLung
Under samme testforhold er der derefter kørt en test på samme elektronikboks med en EquiLung monteret (se Figur 3). Her er kørt et par cykler mere med temperaturer (høj) og (lav) markeret med cirkler. Under de første to skift (grønne cirkler) var EquiLung placeret bedst muligt.
Som det ses, var det muligt for EquiLung at holde trykændringerne nede på ca. +/- 1 hPa. Dvs. 100 gange bedre end i testen uden EquiLung.
I den efterfølgende cyklus (røde cirkler) var EquiLungen blevet flyttet lidt, så den var lidt sværere at deformere. Det betød, at trykændringerne blev i størrelsesordenen +/- 2-3 hPa, dvs. ca. 30-50 gange bedre end i testen uden EquiLung.
Hvis man prøver at holde de 2-3 hPa op imod forholdene på Figur 1, kan man se, at det røde vand er suget ca. 15-20 cm op fra glasset til kassen. 15-20 cm (dvs. 150-200 mm vandsøjle) svarer til ca. 15-20 hPa. Det har derfor ikke været noget problem at kompensere for trykforskellen med den anvendte EquiLung. De 2-3 hPa for den anvendte EquiLung svarer nemlig til kun 20-30 mm vandsøjle.
Erfaringer fra udvidet IPX4-test med og uden EquiLung
De eksisterende IPXX-vandtest, som er beskrevet i IEC 60529, kræver, at testvandets temperatur er indenfor +/-5 ℃ af testemnets temperatur (for IPX1 - IPX7). Hvis den er udenfor dette område, kræves trykkompensering.
For IPX8 er der i princippet frit valg. Testen skal bare være ”strengere end IPX7”, hvilket godt kunne indebære en anden temperatur af testvandet. For IPX9 skal testvandet være 80 ℃ (+/-5 ℃).
Dette giver umiddelbart en test, der er lettere at bestå, da der her bliver overtryk i testemnet, imens der spules. En ”standard” IP-test giver med andre ord ingen information om testemnets evne til at modstå de ovennævnte trykændringer i den allerværste og meget almindelige situation, hvor det regner på emnet på en varm dag.
Tæthedstest med termisk chok og undertryk
Der findes en særlig variant af en tæthedstest, som man kender fra marinebranchen. I IEC 60945, afsnit 8.5 ”Thermal shock (portable equipment)”, er specificeret en test, som både skal give testemnet et termisk chok, men også skabe undertryk i testemnet ved neddypning. Et tjek af tætheden er dermed en del af testen.
Første del af testen omfatter 1 times tør varme ved 70 ℃, hvorefter testemnet nedsænkes helt under vand med en temperatur på 25 ℃. Det viser sig ofte at være en meget svær test at bestå. Det skal i øvrigt noteres, at den ene time i varme ikke nødvendigvis er nok til at skabe trykstabilitet i testemnet før nedsænkning (afhænger af termisk kapacitet og den aktuelle utæthed).
Udvidet IPX4-test med to typer EquiLung
Med inspiration fra IP- og marinetesten har vi kørt en udvidet IPX4-test på fire IP66 polystyren-elektronikkasser. Tre af kasserne har haft en EquiLung monteret (Type 1 med hhv. 1 og 5 mm tilslutningshul, og Type 2 med 5 mm tilslutningshul), mens den sidste kasse har været tom. Under hele testforløbet er trykket i kasserne blevet målt via en lille tilslutningsstuds.
Kasserne er først blevet prækonditioneret ved 65 ℃ til termisk stabilitet. Ved denne temperatur er trykket i kasserne blevet udlignet ved at åbne og lukke tilslutningsstudsen (rød cirkel) kortvarigt. Derefter er der udført en IPX4-eksponering med udvidelse af testtid fra 5 til 10 minutter, eller indtil trykket er blevet stabilt i kasserne. Trykmålingerne er vist på Figur 5.
Som i de to tidligere test ses en stor trykreduktion (her ca. 80 hPa) i kassen uden EquiLung. I den kasse var der desuden trængt flere store dråber vand ind ved pakningen under testen.
Type 1 EquiLung er den samme, som var anvendt i de to tidligere test. Forskellen på at anvende hhv. 1 og 5 mm. tilslutningshul viste sig ved en forskel på yderligere 2-3 hPa (dvs. 4-6 hPa undertryk i alt) for den med 1 mm hul. Det kunne måske forklares ved, at der var kommet lidt vand i tilslutningshullet, og at dette er en vigtig begrænsning for EquiLung.
Type 2 EquiLung var af tykkere og mindre fleksibel folie end Type 1 og var desuden lidt for stor til kassen. Den var derfor betydeligt sværere at deformere. Det var let at mærke forskel med hånden. Her var trykforskellen ca. 15 hPa. Der var ikke kommet vand ind i nogen af kasserne med EquiLung.
Vurdering af vandindtrængning ved utætheder
De udførte test har vist, at en god EquiLung kan holde trykforskelle i apparater nede på ca. 1-2 hPa, der svarer til 10-20 mm vandsøjle. Det vil sige, at man helt kan undgå vand i apparatet, hvis det skal suges mere end 10-20 mm lodret op. Det kunne eksempelvis være op langs med ledningen igennem en kabelforskruning monteret i bunden af et apparat. I de fleste praktiske tilfælde vil begrænsningen dog nok i stedet skyldes en overfladeeffekt, hvor en dråbe vand skal komme igennem en lille utæthed.
For at få en idé om størrelsesordenen af den effekt, kan man kigge på det såkaldte ”Laplace-tryk” for et cirkulært hul i en lodret væg (reference: C. W. Extrand (2018) Drainage of liquid from a small circular hole in a vertical wall, Journal of Adhesion Science and Technology, 32:10, 1142-1149, DOI:10.1080/01694243.2017.1400802):
Her er ΔpL den trykforskel [pascal] der skal til for at presse en dråbe væske med overfladespændingen γ [N/m] ud af et cirkulært hul med diameter D [m]. γ for vand er 72,8 mN/m. Figur 6 viser forholdet imellem huldiameteren og trykket.
Ovenstående udtryk bliver mere kompliceret, når man tager hensyn til, at ”hulmaterialet” kan være hydrofilt (”vandelskende”) eller hydrofobt (vandafvisende). For ”almindelige” konstruktionsmaterialer som plast, gummi, metal mm. er betydningen dog mindre end ca. 25 %.
I praksis har fedt og støv på materialeoverfladerne og hullets form også en vis betydning. Alligevel kan man med rimelig sikkerhed sige, at en EquiLung, der kan holde trykforskelle nede på ca. 1-2 hPa, kan forhindre vandindtrængning igennem huller, der er mindre end ca. 1,5-3 mm (røde krydser på Figur 6).
EquiLung dækker gængse kategorier af utæthed
I rapporten SPM-176 (”Humidity testing of electronics and mechanics”) er der angivet følgende størrelsesordner for ækvivalente utætheder i apparater:
- Typiske IP-66 / IP-69 apparater = 0,2 til 0,5 mm.
- ”Meget lille” utæthed < 0,02 mm.
- Typisk tryktæt krav < 0,01 mm.
Af Figur 6 ses det, at alle ovenstående utætheder kan dækkes med en typisk EquiLung mht. vandindtrængning.
Desuden ses det, at EquiLung ikke kan blive meget bedre end ca. 1-2 hPa, da dens indgangshul så bliver for stort (hvis der er dannet en lille dråbe i hullet). De praktiske erfaringsværdier på 1 mm (lidt for lille hul) og 5 mm (stort nok hul) ser ud til at passe fint med Figur 6 (se grønne krydser).
Næste skridt: test af EquiLung i rigtige produkter
Med de grundlæggende designkriterier for EquiLung på plads, er det nu tid til at prøve den ”kunstige lunge” af i rigtige produkter, stillet til rådighed af virksomheder.
