会“呼吸”的防水透气阀：小阀门中有大门道！

贸泽电子 2023-05-24 3702

描述

作为电子工程师，想必大家对于暴露在户外恶劣环境中的电子系统设计都会有些心得，做好防水防尘设计、将内部核心组件与外部环境隔离开，是其中的关键要诀。不过，在有些应用中，情况并没有那么简单。

比如，在实际应用中，有些设备会因为外部环境和天气的变化，以及内部电子元器件工作时发热，导致设备内部气体产生热胀冷缩的变化，造成设备内外部的气压差。在这种压力差的作用下，可能会导致设备密封盖板的变形，或者由于气体反复进出产生的“呼吸效应”，加速密封件的老化，使得水汽等杂质进入设备内部，进而造成电子元器件的失效、老化甚至是设备故障。

想要解决此类可靠性问题，就需要我们这篇文章的主角登场了，它就是——防水透气阀。

初识防水透气膜

从名称中就可以看出，这个阀门有两个作用：

一个是防水，即根据需要隔绝液体水或者是水雾/气进入设备内部；
二是在防水的同时能够允许气体自由通过，以实现设备内外部的压力平衡。

经由防水透气阀的气体交换过程，好似设备根据内外部气压的大小进行“呼吸”，因此也被称为“呼吸器”。

防水透气阀之所以能够实现这一功能，其秘诀就在于阀门中有一层高分子材料制成的防水透气薄膜，该薄膜上面有很多微孔，其直径（通常为几百纳米到几十微米）是水滴直径的数千分之一，同时又是空气中气体分子的1,000倍左右，因此也就具有了“阻水通气”的特性。防水透气阀的通气量，一般取决于高分子薄膜的开孔率、厚度和孔径等参数，通过调整这些参数就能制造出不同规格的产品。

当然，防水透气阀也不是实现“防水透气”这个目标唯一的技术路径，能够实现相似功能的方案还有气囊和透气孔。前者是通过在密封设备腔体上外接一个气囊，来应对可能发生的气压变化，但气囊容易破损且安放需要预留足够的空间，所以适用范围有限；后者则是通过迷宫式的气道设计，尽可能在通气的同时阻止水和灰尘等异物的进入，但总是难免有“漏网之鱼”，使得防水防尘的性能打折扣。因此相较而言，防水透气阀是一个更优的解决方案。

图1：防水透气膜在防水的同时能够允许气体自由通过，以实现设备内外部的压力平衡

（图源：Amphenol LTW）

防水透气阀的典型应用

正是因为防水透气阀的特性优势，其应用十分广泛。

1 汽车领域随着电气化的发展，锂离子动力电池组在新能源汽车中的应用日趋广泛。大家知道锂离子电池素来有“不稳定”的特点，其在充电、放电过程中会产生大量混合气体以及热量，这会导致全封闭电池组内部气压的增加，而如果这些压力无法及时平衡或释放，很可能会造成外壳的变形漏液，甚至有电池爆炸的风险。因此，在设计车载动力电池箱时，就需要采用防水透气阀来为电池组“减压”，同时确保车辆在使用中免受雨水、灰尘、油污等恶劣环境的影响，可靠稳定地工作。

2 户外照明LED户外照明是防水透气阀的另一个典型应用。户外的LED灯具通常是防水密封设计的，但这也会带来不易散热的问题。一方面，温度过高会造成LED照明系统中元器件的失效和故障；另一方面，为了避免高温对照明系统的损害，很多LED灯具都设计有温控装置，当LED灯的工作温度超过设定值时，设备会进入保护状态，影响正常使用。为了防止这些情况的发生，就需要防水透气阀发挥作用——当LED灯具内温度升高、压力变大时，通过透气防水的阀门排出灯具内的热风，及时平衡设备内外压力并加速热量的散发，确保设备正常工作。 3 通讯行业

防水透气阀在通信行业也是不可或缺的存在。无线基站等通信基础设施所处的环境复杂，且位置分散、维护难度大，而其对可靠性又有很高的要求。

有分析表明，户外通信设备在夏季白天工作时，由于温度的上升会在设备壳体内部产生至少100mbar的正压，如果密闭壳体内的空气无法排出，这些压力会聚集在密封件、连接器等壳体上比较薄弱的地方；而当遇到寒冷天气，设备内部的空气又会因收缩形成负压，外部较高的气压同样会在壳体薄弱处产生较大应力。这样的情况反复循环出现，就会加速密封件的老化，减弱设备抵御恶劣环境的能力，对可靠性产生不良影响。应对这一挑战，防水透气阀显然是不二之选。

4 光伏行业

防水透气阀还有一个重要应用场景，就是在光伏行业中。与其他户外设备相类似，太阳能设备内部也会因元件散热和天气条件引起的温度变化，产生较大的气压差，热量和压力的积聚会使得设备内部一些关键组件变形或者失效，也容易将外界环境中的水汽、灰尘等吸入设备内部，引发短路、腐蚀等风险，影响设备使用寿命。因此，通过防水透气阀来实现设备内外的压力平衡，也就成了保障光伏设备性能和可靠性，延长使用寿命的关键一环。

如果仔细观察，我们会发现防水透气阀的应用领域还有很多，在设备壳体需要良好密封性和透气性的场合，防水透气阀都可以大显身手。

图2：防水透气阀的典型应用场景

（图源：Amphenol LTW）

选择合适的防水透气阀

防水透气阀应用的拓展也催生出了丰富的产品组合，它们按照材质可以分为金属和塑料类型，按照安装方式有螺纹和卡入式等不同的产品，用户可以根据实际需要进行选型。

虽然防水透气阀的产品形态各异，但在选型时还是有几个主要的技术指标和特性需要重点权衡。

防护性能

也就是我们常说的IP防护等级，它代表产品防水防尘能力的大小，一般防水透气阀都需要达到IP65至IP68甚至更高的等级。

透气量

这个关键指标反映的是透气阀快速平衡压力的能力，即在一定气压下，单位面积单位时间的透气量。业内通行的方法是以70mbar下每平方厘米的透气效果来衡量。

环境耐受性

包括结构的稳固耐用性，以及耐温度、耐腐蚀、阻燃性、抗氧化性等，这些特性对于长期暴露在恶劣环境中的防水透气阀来讲，自然十分重要。

产品易用性

产品的安装是否方便快捷，是否有效减少维护成本，这也是要重点考量的一个特性。有些防水透气阀还会根据特定应用进行优化，强化产品的适用性和易用性。

通过对上面几个指标的综合考量，参考使用条件，就能够基本选定合适的防水透气阀。

Amphenol LTW可以提供综合性能出色、类型丰富的防水透气阀产品，这些产品基于高性能的疏水/疏油膜而构建，满足IP68 / IP69K的防护等级, 可防止液体、油和水分进入, 并减少密封外壳中的冷凝。

这些防水透气阀包括铝合金、不锈钢、塑胶等多种类型，提供螺纹及卡入式不同的锁合方式，透气性高达10,000 ml/min @ 70mbar，阻燃等级达到UL 94V-0，工作温度范围-40°C至+125°C（或+150°C），可以说能够覆盖大多数密封防水和平衡透气的应用场景要求。

图3：Amphenol LTW的防水透气阀产品

（图源：Amphenol LTW）

值得一提的是，在提供多样化产品组合的同时，Amphenol LTW还在提升选型便利性方面为开发者准备了快速易用的产品选型工具。众所周知，最终选择哪款防水透气阀，气压平衡时间是一个关键指标，确定它要根据透气量、腔体体积、环境温度等各种参数进行计算。

为了简化这一计算工作，Amphenol LTW提供了一款透气阀平衡时间的在线计算器，输入参数后便可快速得出结果，用户按图索骥，更容易找到心仪的防水透气阀。

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图4：防水透气阀平衡时间在线计算器

（图源：Amphenol LTW）

本文小结

设计在恶劣环境中工作的设备，可靠性是重中之重。在确保设备可靠性的诸多举措中，防水透气阀的作用不容小觑，在这个小阀门身上，蕴含着不少门道。参透了其中的诀窍，才能够像Amphenol LTW这样，为各类应用提供高性能、多样性的解决方案。想选择一款可靠的透气阀，就来这里看看吧——

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