防水透气阀在航空电子设备上的应用与验证

防水透气阀在航空电子设备上的应用与验证张敬锋

（中国特种飞行器研究所，湖北荆门448035）摘要：航空电子设备面临复杂的使用环境，特别是气压变化和温度冲击所造成的呼吸效应非常严重，由于呼吸效应出现的腐蚀介质侵入是引起设备故障的重要原因之一。对比不同的防护措施，选择在密封航空电子设备上使用防水透气阀的方案。经过分析和试验验证，该方案能有效降低呼吸效应造成的腐蚀介质侵入，从而提高设备的可靠性，延长使用寿命。关键词：防水透气阀；航空电子设备；呼吸效应；腐蚀防护中图分类号：TH134文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2020.05.065水汽更不易干燥，除了引起附件腐蚀之外，还会使设备内期处于饱和湿热的状态，引发电气故障。②设备内部整体灌封，由于没有了设备腔体内的空气，所以呼吸效应也不存在，而且灌封材料隔离了设备内部器件与外部腐蚀介质的接触，使得设备内部几乎不会发生腐蚀。但是灌封除了引起设备增重，还会丧失维护性。对于发热量大、有散热要求的器件，或是保留扩展位的设备，整体灌封也是尽可能避免的方案。③参考飞机机体结构排水的方法在航空电子设备的外壳上设置排水孔。这种设计的优点是电子设备的内外压差可以达到实时平衡，设备内部的积水可以迅速排出。缺点是由于水的表面张力，过小的排水孔没有排水效果，排水孔的直径必须大于9mm[3]，这么大的排水孔，会带来电子设备电磁兼容的问题，而且排水孔的存在使得设备内外环境基本一致，外部环境中的潮气、霉菌和盐雾直接进入设备内部，给设备使用造成较大的风险，不适合在较恶劣的环境中工作。针对常规密封设计呼吸效应不可避免的问题，选用防水透气阀是一种合理的解决方案[4]。防水透气阀工作原理是把防水透气膜通过注塑、超声焊接等形式和塑胶、金属、硅胶等其他材料结合，形成可以密闭的安装部件。防水透气膜选用膨体聚四氟乙烯（E-PTFE）微孔膜制造，该E-PTFE膜的微孔直径在0.1～10μm之间，而气体的分子只有0.0004μm左右，膜的孔径比气体直径大250～25000倍；水分子的直径有400μm，比薄膜的微孔直径大40～4000倍，因此可以在阻挡水滴的同时让气体顺利通过。与本文中提出的其他方案相比，防水透气阀能通过较好的透气性来实现设备内外压力的平衡，防止外部的水和腐蚀介质进入设备内部，有效保护设备密封的完整性。因此，分析可知在密封设备上使用防水透气阀可以在不影响防护性能的前提下有效防止呼吸效应的影响。航空电子设备在其生产制造、贮存、使用的全寿命期都会经受各种环境因素的作用，各种恶劣环境对其性能有严重影响，而其性能直接关系到飞机的使用性能、安全性和可靠性。特别是在海岸和海岛起降的飞机，湿热、盐雾、霉菌等影响腐蚀的因素更为严酷，飞机从地面到高空飞行，频繁的气压和温度变化对于一些采用密封设计的航电设备是极大的考验。1航空电子设备的环境防护需求1.1航空电子设备的使用环境分析航空电子设备在使用过程中承受着温度和气压的大范围变化。设备普遍的使用环境温度在﹣40℃～55℃，加上工作时元器件的发热，内部器件和板卡最高温度可以达到80℃或更高。温度的巨大变化除了会造成内外差压的变化，还会加速密封材料的老化。气压也是航电设备在使用过程中不可忽视的因素，万米高空的外部大气压只有地面气压的1/4左右。如此大的气压变化，对设备的结构外壳、密封条、电连接器都是不小的考验。温度和气压的循环冲击，足以造成设备的密封失效，外部的水汽携带腐蚀介质侵入设备壳体，腐蚀设备内部的电子元器件，引起设备故障，因此呼吸效应的防护必不可少[1]。1.2航空电子设备防护措施对比分析航空电子设备由于呼吸效应导致水汽和腐蚀介质侵入的问题，有以下3种解决思路：①提高设备的防护等级，加强结构密封措施可使设备的防护等级提高到IP68[2]，但是这样会使设备的制造成本急剧增加，使用维护变得困难。很多电子设备表面普遍安装有指示灯、开关、电连接器等附件，这些附件使得设备完全气密几乎不可能。在强大的压差作用下，水汽和腐蚀介质依然会通过附件的结构缝隙进入设备内部，而且由于毛细作用和迷宫效应的存在，结构缝隙内部的·154·2020年第05期

2防水透气阀的应用与试验验证2.1防水透气阀的选型防水透气阀的阀体材料有金属和非金属两类，造型一般为螺栓形。非金属防水透气阀采用尼龙或其他材料，使用温度难以满足航空电子设备高低温和温度冲击的要求，故要谨慎选取。金属防水透气阀的壳体材料通常有铝合金、不锈钢等，在选取时，除了要考虑阀体材料自身的耐蚀能力之外，还要考虑与设备外壳材料的电位差，防止两种材料电位差过大产生电化学腐蚀。防水透气阀的技术指标有防护等级和透气量。防水透气阀的防护等级从IP65～IP68，其中IP65通过物尺寸为5μm；IP66通过物尺寸为3μm；IP67通过物尺寸为0.45μm。透气效率随着防护等级的升高而降低。一般使用环境选取IP65即可，如有浸水的环境，建议考虑IP67或更高的防护等级。2.2防水透气阀效果的试验验证为了验证防水透气阀的使用效果，在常规的航空电子设备机箱上进行了对比试验。本项试验中，模拟设备机箱4个，表面安装电连接器。具体情况见表1。表1试验件配置表

序号样件名称配置说明

不安装防水透气阀，壁板无密封橡胶垫，紧1

试验机箱1

固件不进行湿装配。机箱内部加试片5A06裸材

安装M5/IP67防水透气阀，壁板无密封橡胶

2

试验机箱2

垫，紧固件不进行湿装配。机箱内部加试片5A06裸材

不安装防水透气阀，壁板与机箱框架间使用

3

试验机箱3

密封橡胶垫，紧固件湿装配。机箱内部加试片5A06裸材

安装M5/IP67防水透气阀，壁板与机箱框架

4

试验机箱4

间使用密封橡胶垫，紧固件湿装配。机箱内部加试片5A06裸材

在每个试验机箱内部都放置温湿度记录仪，可以实时记录箱体内部的温湿度并存储。试验条件采用实验室加速环境谱，具体试验条件为：①湿热7天；②低温低气压2h；③盐雾试验7天。这3个步骤为一个试验周期，每个周期试验完成后检查试验机箱状态。该环境普遍用于模拟设备在海洋大气环境下的长期运行。试验第一周期后开箱检测，不进行密封设计的试验机箱1、2情况完全一致，箱体内部出现明显积水。分析原因，金属盖板与壁板之间没有密封垫的话，缝隙远远大于分子级别。因此，未采用密封设计的机箱是否防水透气阀都没有意ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新义，水和盐雾会从机箱缝隙处侵入，在机箱内形成积水。进行了箱体密封和紧固件湿装配的机箱3、4，在第一周期试验完毕后内部情况相似，不存在积水及盐雾沉积，证明密封措施对机箱内部的防护是有效的。试验第四周期后开箱检测，未安装防水透气阀的机箱3湿度曲线出现明显阶跃，然后在同一时间的湿度数值也高于机箱4。而且机箱3内部出现了明显的水膜附着，这是前3个周期从未出现过的。但安装有防水透气阀的机箱4内部情况和前3个周期一样，未出现积水积盐情况。由此可以推断，未安装防水透气阀的机箱3随着试验的进行，也产生了气体交换。检查箱体外观，发现未安装防水透气阀的机箱3电连接器安装法兰、插头隙处积盐明显，连接器安装处的机箱面板漆层出现了明显鼓包。对比安装防水透气阀的机箱4，电连接器表面只有少许盐粒沉积，缝隙处未见积盐，安装部位结构完好。试验结果证明了理论分析，未安装防水透气阀的机箱，长期使用后密封薄弱部位容易失效，内外气体交换是通过密封薄弱处进行的，这样在密封薄弱处产生了腐蚀；而安装防水透气阀的密封机箱，气体交换是通过防水透气阀进行的，能够保证密封设计长期有效。3结论通过原理分析和试验验证，结构密封设计的航空电子设备机箱，安装防水透气阀确实能够防止呼吸效应对设备的影响，有效平衡内外压差，避免水和腐蚀介质进入设备内部，提升航电设备的腐蚀防护能力，保护密封薄弱部位，从而提升设备的可靠性和环境适应能力。参考文献：1］龚光福.呼吸效应研究［J］.雷达科学与技术，2009，7（3）：236-239.2］郭汀，方晓燕，季慧玉，等.GB/T4208—2017，外壳防护等级（IP代码）［S］.北京：中国质检出版社，2018.3］王哲.飞机结构维修中防水和排水问题［J］.航空维修与工程，2005（5）：24-26.4］白秀茹.防水透气阀在密封结构中的应用［J］.无线电工程，2017，47（1）：76-78.————————作者简介：张敬锋（1977—），男，湖北荆门人，本科，高级工程师，主要研究方向为电子设备环境工程。〔编辑：辛霞〕·155·［［［［