Лекции проф Давыдова УГГИ (lec05 Защита от внешн факторов)

Посмотреть архив целиком

11



КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Protection from climatic conditions of the usages

Тема 5: ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ ОТ ВЛИЯНИЯ

КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Естествоиспытатель не принимает в расчет невероятное.

Луис И. Канн.

Естествоиспытатель может и не принимать, а конструктору приходится. У меня в лаборатории был инженер, в присутствии которого приборы начинали заикаться и безбожно врать. Пришлось сделать этому специалисту в миниюбке рабочее место за перегородкой.

Валерий Самойлин. Уральский геофизик и радиоинженер. ХХ в.

Содержание:

    1. Защита от климатических воздействий среды. Влияние климатических факторов на конструкцию. Защитные покрытия. Герметизация элементов, узлов, устройств или всего прибора.

    2. Тепловой режим аппаратуры. Тепловой режим аппаратурного блока. Нормальный тепловой режим. Охлаждение аппаратуры. Теплоотвод кондукцией. Теплоотвод конвекцией. Принудительное воздушное охлаждение Выбор способа охлаждения.

    3. Защита аппаратуры от воздействия влажности. Выпадение росы. Длительное воздействие высокой влажности. Защита аппаратуры. Металлические покрытия. Лакокрасочные покрытия.

    4. Защита от воздействия пыли.

    5. Герметизация аппаратуры.

5.1. ЗАЩИТА ОТ КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ СРЕДЫ [1]

Выше рассматривались основные климатические факторы, оказывающие влияние на работоспособность РЭА в процессе ее эксплуатации. При этом отмечалось, что вид воздействующего фактора, а также его интенсивность и степень влияния зависят от типа климатической зоны и высоты над уровнем моря.

Рассмотрим основные направления воздействия климатических факторов и меры борьбы с ними.

Влияние климатических факторов на конструкцию. Влияние климатических факторов на конструкционные материалы выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, потере механических и диэлектрических свойств, изменении электропроводности. Реакция на воздействующий фактор, степень и скорость изменения свойств конструкционного материала в зависимости от его состава различны. Процесс коррозии у металлов имеет химическую или электрохимическую природу, но причина в этих случаях одинакова: переход металла в более стабильное природное состояние. Процесс коррозии связан с отдачей энергии, что указывает на самопроизвольный ход реакции, без затраты энергии извне. Процесс химической коррозии протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии растворение металла и возникновение новых соединений происходит с участием электролита, т. е. воды.

Различают три вида коррозии: равномерную, неравномерную и межкристаллическую. При равномерной коррозии процесс распространяется постепенно от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла. Неравномерная коррозия ограничивается отдельными местами и возникает, например, вследствие нарушения защитного покрытия. Коррозия межкристаллическая характеризуется проникновением в глубь металла путем разрыва структуры и распространением вдоль границ кристаллов. Наличие в атмосфере кислот, щелочей, солей ускоряет процессы коррозии.

Воздействие агрессивной атмосферы на изоляционные материалы выражается в поглощении ими влаги, ухудшении диэлектрических свойств и постепенном разрушении. Изоляционных пластмасс, не поглощающих влаги, не существует. Количество проникшей влаги и время ее проникновения неодинаковы для различных материалов. Проникновение влаги в изоляционные материалы может быть капиллярное и диффузионное.

Капиллярное проникновение имеет место в случае наличия в материале грубых микроскопических пор, трещин и других дефектов. Так как в микроэлектронике применяют только высококачественные изоляционные материалы, то они практически свободны от таких дефектов.

Существенно большее значение имеет процесс диффузионного проникновения, который заключается в заполнении промежутков между молекулами материала молекулами воды. При этом перемещение молекул воды происходит в сторону меньшей их концентрации. При повышенной влажности молекулы воды проникают внутрь материала (поглощение влаги), а в сухой теплой атмосфере - из материала (высыхание). Поглощение влаги диэлектриком ведет к уменьшению его сопротивления, увеличению диэлектрических потерь, набуханию, механическим повреждениям.

Плесневые грибки, как один из сильнейших биологических факторов, также могут отрицательно воздействовать на работоспособность аппаратуры. Для развития плесени необходимы большая относительная влажность воздуха (80 - 100%) и температура 25 - 37°С. Такие условия естественны для стран с тропическим влажным климатом, однако они могут возникнуть искусственно в помещениях, где эксплуатируется аппаратура.

Среди материалов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре, наибольшее воздействие плесень оказывает на те, которые имеют органическую основу, и, в частности, на изоляционные материалы проводных соединений.

Защитные покрытия. Для защиты поверхности металлических и неметаллических материалов от агрессивной внешней среды применяют различные покрытия, которые по назначению делят на три группы: защитные, защитно-декоративные и специальные.

Защитные покрытия предназначены для защиты деталей от коррозии, старения, высыхания, гниения и других процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитно-декоративные покрытия наряду с обеспечением защиты деталей придают им красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают их от влияния особых сред.

По способу получения все покрытия разделяют на металлические и неметаллические.

Металлические покрытия – покрытия, нанесенные горячим способом, гальванические, диффузионные и металлические на диэлектриках.

Неметаллические покрытия – покрытия лаками, эмалями, грунтовками, а также противокоррозионное покрытие пластмассами.

Выбор того или иного вида покрытия в каждом конкретном случае зависит от материала детали, ее функционального назначения и условий эксплуатации.

Для борьбы с плесневыми грибками применяют три способа:

Способ 1 - использование материалов, не склонных к образованию на них плесени (применение этого метода ограничивается возможностями выбора материалов).

Способ 2 - изменение внутреннего климата в аппаратуре, имеющее цель лишить плесневые грибки благоприятной базы для развития (здесь главным образом требуется принимать меры к снижению влажности воздуха, так как саморазогрев как отдельных микросхем, так и полностью всей аппаратуры лишает грибки благоприятной температуры).

Способ 3 - добавление в состав лака или эмали, которыми покрывают поверхность деталей, специальных химических веществ - фунгицидов.

Герметизация элементов, узлов, устройств или всего прибора. При этом способе защиты в зависимости от степени чувствительности тех или иных элементов или узлов к воздействию агрессивной среды и от их конструктивных особенностей применяют различные способы герметизации, отличающиеся как методом исполнения, так и сложностью и стоимостью.

Известны способы герметизации с помощью изоляционных материалов и непроницаемых для газов оболочек.

Защита изделий изоляционными материалами может производиться пропиткой, заливкой, обволакиванием и опрессовкой.

Пропитка изделий состоит в заполнении имеющихся в них каналов электроизоляционным материалом. Одновременно с заполнением каналов при пропитке на всех элементах конструкции образуется тонкий изоляционный слой, защищающий от воздействия агрессивной среды. Одновременно с защитными функциями пропиточный материал повышает электрическую прочность изделия, скрепляет механически его отдельные элементы, во многих случаях улучшает теплопроводность. Пропитку осуществляют погружением изделий в жидкий изоляционный материал. После извлечения изделия материал отвердевает. Процесс отверждения может происходить при нормальной температуре или с внешним подогревом. При использовании полимеризующихся пропиточных материалов необходимо применять специальные ускорители.

При герметизации заливкой все свободные полости в изделии, в том числе и пространство между элементами и корпусом, заливают электроизоляционным материалом, который после отверждения образует достаточно толстый защитный слой. Заливку изделия можно производить в его постоянном корпусе или использовать для этого специальные разъемные формы, которые после отверждения материала удаляются.

Герметизация обволакиванием по технике исполнения аналогична операции пропитки, однако здесь используют вязкие изоляционные материалы, обладающие хорошей адгезией к элементам изделия. Слой материала, образующегося на поверхности деталей, сравнительно толст (от долей до нескольких миллиметров) и надежно защищает их от воздействия агрессивной среды.

Защита изделий непроницаемыми для газов оболочками - наиболее совершенный способ защиты узлов и устройств РЭА, так как кроме эффективной защиты он может обладать возможностью разгерметизации в производственных условиях и при эксплуатации для выполнения ремонта изделий.

Условия нормальной работы изделий, защищенных вакуумно-плотной герметизацией, зависят не только от качества герметизации, но и от защиты от агрессивных компонентов, входящих в материалы и среду защищаемого объема. Выделение свободных молекул воды и других агрессивных веществ в герметизированном объеме изделия может свести к минимуму эффективность вакуумно-плотной герметизации. При разработке герметичных корпусов следует учитывать условия эксплуатации и, прежде всего, изменение барометрического давления, внешние механические воздействия и возможные перепады температуры.

Вакуумно-плотная герметизация может быть выполнена с неразъемными и разъемными швами. Первую используют для защиты малогабаритных узлов и устройств, вторую - для сравнительно больших блоков, требующих профилактической проверки и нуждающихся в смене ее отдельных элементов.

Неразъемные герметичные конструкции делают со швами, выполняемыми пайкой, сваркой, заливкой, склеиванием или замазкой специальными компаундами (герметиками). В разъемных герметичных конструкциях между соединяемыми деталями помещают эластичную прокладку, а в герметизируемый объем – влагопоглотитель, например силикагель. Условие непроницаемости такого герметичного соединения - сохранение во все время его службы контактного давления между прокладкой и соединяемыми поверхностями. Применяют металлические (из свинца, красной меди) и неметаллические (резиновые) прокладки. При стягивании винтами металлические прокладки деформируются при превышении предела текучести. При использовании резиновых прокладок уплотнение достигается действием остаточных упругих деформаций.

5.2. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ [1, 2]

Тепловой режим аппаратурного блока характеризуется совокупностью температур отдельных его точек — температурным полем. Температурный режим создается как внешним температурным воздействием окружающей среды, так и тепловой энергией, выделяемой радиоэлементами самой аппаратуры. В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть стационарным или нестационарным.

Неизменность температурного поля во времени характеризует стационарный режим. Зависимость температурного поля от времени характерна для нестационарного режима. Этот режим имеет место в тех случаях, когда собственная теплоемкость аппарата соизмерима с количеством теплоты, выделяемой при работе. Обычно нестационарный режим имеет место при одиночных и кратковременно повторяющихся тепловых нагрузках.

По характеру направленности теплового потока разделяют термоактивные и термопассивные элементы. Термоактивные элементы служат источниками тепловой энергии, а термопассивные – ее приемниками.

Микросхемы и радиоэлементы функционируют в ограниченных темпера­турных диапазонах. Отклонение температуры от указанных диапазонов мо­жет привести к необратимым изменениям компонентов. По­вышенная температура снижает диэлектрические свойства материалов, ус­коряет коррозию конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной температуре затвердевают и растрескиваются резиновые дета­ли, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейно­го расширения материалов могут привести к разрушению залитых компаун­дами конструкций и, как следствие, нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению креплений и т. п.

Настоящее и будущее аппаратуры связано с использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля температуры.

Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называется нормальным.

Нормальный тепловой режим - это режим, который при изменении в определенных пределах внешних температурных воздейст­вий обеспечивает изменение параметров и характеристик конструкции, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях на них. Высокая надежность и длительный срок службы изделия будут гаран­тированы, если температура среды внутри РЭА является нормальной и рав­ной 20-25 °С. Изменение температуры от­носительно нормальной на каждые 10 °С в любую сторону уменьшает срок службы аппаратуры приблизительно в 2 раза. Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, уве­личению габаритов и массы, введению дополнительного оборудования, за­тратам электрической энергии.

Работоспособность при низких температурах обеспечивается саморазогревом аппаратуры перед работой или, при необходимости, нагревом электрическими нагревательными элементами, уста­навливаемыми для стационарной аппаратуры в помещении (что должно быть оговорено в инструкции по эксплуатации), для транс­портируемой - встроенными в конструкцию. При применении нагрева должно обеспечиваться автоматическое выключение нагревателей после прогрева аппаратуры. Следует избегать интенсивного прогрева, так как при этом пары воды внутри прибора конденсируются на поверхно­стях конструкции до тех пор, пока не осядет избыточная влага в возду­хе.

Охлаждение аппаратуры. Чаще конструктор решает задачу удаления избытка теплоты в результате саморазогрева аппаратуры. Как известно, передача теплоты от нагретой аппаратуры в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией и излучением.

Кондукция - процесс переноса тепловой энергией между находящимися в соприкосновении телами или частями тел за счет теплопроводности тел.

Конвекция — перенос энергии макрочастицами газа или жидкости.

Перенос теплоты излучением происходит за счет превращения тепловой энергии в энергию излучения (лучистая энергия).

В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает проблематичным точный расчет температурного поля. Поэтому на практике расчет проводится, как правило, для наиболее эффективного вида теплообмена, который принимается для данного блока, прибора, системы за основной. Для стационарной аппаратуры используются в основном способы охлаждения теплопроводностью, воздушное естественное и принудительное, а также принудительное воздушное с дополнительным охлаждением жидкостью в трубопроводах. При высоких требо­ваниях к стабильности параметров схем применяют термостатирование узлов и блоков.

Способы охлаждения могут быть охарактеризованы коэффициентом теплоотдачи [Вт/(м2°С)], значения которого для различных систем охлаждения приведены ниже.

Система охлаждения

Коэффициент теплоотдачи К, Вт/(м2°С)

Естественная, воздушная, излучением

2-10

Принудительная воздушная

10-150

Естественная жидкостная

200-600

Принудительная жидкостная

300-3000

Испарительная

500-120000

Рис. 5.2.1.

1- стенка прибора, 2- интегральная схема, 3- теплоотвод, 4-печатная плата.


Теплоотвод кондукцией. С увеличением плотности компоновки РЭА большая доля теплоты уда­ляется кондукцией, т.е. передачей тепловой энергии от нагретого элемента к элементу с меньшей температурой. Для улучшения условий отвода теплоты от тепловыделяющих элементов в конструкции применяют тепловые разъемы, теплоотводящие шины, печатные платы на металлической основе и т. д. Количество теплоты Qк (кал/с), передаваемое в статическом режиме кондукцией, опре­деляется по выражению

Qk = mt S/l, (5.2.1)

где m — коэффициент теплопроводности, кал/(с·см·°С), S - площадь, через которую проходит тепловой поток, см2, l - длина пути передачи теп­лоты, см, t - разность температур между охлаждаемой конструкцией и окружающей средой, °С. Пример расчета теплоотвода можно посмотреть в работе /2/.

Для увеличения эффективности теплообмена путем теплопроводности необходимо увеличивать площадь теплопроводящей поверхности, уменьшать путь передачи теплоты, использовать материалы с высокой теплопроводностью.

Рис. 5.2.2.


Теплоотвод конвекцией. Естественное и принудительное воздушное охлаждение наиболее просты и доступны. Теплота от нагретых корпусов радиоэлементов передается окружающей атмосфере за счет естественной конвекции. Эффективность естественного воздушного охлаждения тем больше, чем больше разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше площадь поверхности корпуса. Имеет также значение плотность окружающей среды, при уменьшении которой отвод теплоты от поверхности элементов уменьшается.

Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздух, нагреваясь от выделяющих теплоту элементов и обладая вследствие этого меньшей плотностью, перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена зависит от места расположения элементов в объеме аппаратуры. Так, при вертикальном расположении модулей (плат) воздушному потоку ничего не препятствует и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей степени. В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит.

Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности, выделяемой аппаратурой во время работы в виде теплоты, формы и габаритных размеров корпуса и площади его поверхности. Улучшение охлаждения можно получить искусственным увеличением площади поверхности корпуса, например введением специальных ребер — радиаторов.

Существенное улучшение теплового режима достигается введением специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпусов аппаратуры. В этом случае в приборы поступают извне холодные слои воздуха, которые вытесняют теплые слои через отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия следует предусматривать и в боковых стенках корпусов в виде жалюзи. Суммарная площадь вентиляционных отверстий в дне (крышке) при­бора должна составлять 20...30 % сечения конвективных потоков воздуха. Входные вентиляционные отверстия должны располагаться как можно ниже. Чтобы не препятствовать поступлению свободных конвективных по­токов воздуха внутрь прибора, между установочной поверхностью и дном должен быть зазор 20-30 мм. С внутренней стороны кожуха вентиляционные отверстия часто закрывают защитными металлическими сетками.

Естественное охлаждение используется с плотностью тепловых потоков от охлаждаемых поверхностей не более 0,05 Вт/см2. При этом необходимо стремиться к равномерному распреде­лению выделяемой мощности по всему объему изделия. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты в нижней части и защищать тепловыми экранами. Блестящий экран сокращает лучистый тепловой поток приблизительно вдвое. В целях выравнивания температуры внутри аппаратуры теплонагруженные модули должны иметь высокую степень черноты, внутренние поверхности кожухов и каркасов окрашиваются черными красками или лаками. При компоновке аппаратуры необходимо избегать образования «ло­вушек тепла», в которых отсутствуют конвективные потоки воздуха.

При расчете теплового режима аппаратуры с естественным воздуш­ным охлаждением важно оценить количество теплоты, удаляемой от всех нагреваемых поверхностей изделия. Количество теплоты, удаляемой от поверхности S естественной кон­векцией, Вт:

Q = 4.18·10-4 hc S t,

где S — площадь поверхности, см2, t - перегрев, °С, hc - коэффициент конвективной теплопередачи, определяемый из hc = 0,52С(55t/l)0.25, С - постоянная, зависящая от ориентации поверхности (для вертикальной плоскости С = 0.56, для верхней горизонтальной плоскости С = 0.52, для нижней горизонтальной плоскости С = 0,26), l - длина пути теплового по­тока:

Ориентация поверхности

Длина l

Вертикальная плоская

Вертикальная плоская непрямоугольная

Горизонтальная плоская

Наибольший размер по вертикали, но не более 50 см

Отношение площади к наибольшему горизонтальному размеру
Отношение удвоенного произведе­ния длины на ширину к сумме длины и ширины

Необходимо защищать аппаратуру от прямого попадания солнечных лучей. При отвесном падении солнеч­ных лучей на прибор имеет место превышение температуры металлических поверхно­стей (в градусах Цельсия): без покрытия - 24; окрашенных в белый цвет - 13; серый - 21; черный - 27.

Принудительное воздушное охлаждение При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод от внутренних полостей корпуса РЭА осуществляется движущимися потоками воздуха, объем и скорость движения которых определяются вентиляторами. Оно широко используется в аппаратуре с тепловыделением не более 0,5 Вт/см2 и выполняется по схемам подачи воздуха снизу вверх и сверху вниз. Забор воздуха снизу, где имеет место наибольшее количество пыли, приводит к повышенной запыленности аппаратуры, охлаждение сверху вниз - к меньшей запыленности, но требует большего расхо­да воздуха.

Чем ниже температура охлаждающего воздуха и выше скорость его движения, тем эффективнее принудительное воздушное охлаждение. Применяются приточная, вытяжная и приточно-вытяжная схемы вентиляции. В приточно-вытяжной используются два вентилятора на входе и выходе воздуха из изделия. Работа вентилятора по приточной схеме вентиляции происходит в благоприятных условиях при пониженной температуре, что обеспечивает большую производительность. Вытяжную схему вентиляции можно рекомендовать в аппаратуре с большими аэродинамическими сопротивле­ниями.

Вентиляторы устанавливаются либо непо­средственно в прибор, либо в специальные блоки с креплением на корпусе прибора или каркасе стойки. В блоках обычно размещают вентиляторы, противопыльный фильтр, элементы сигнализации и аварийного отключения.

Появление шума и вибраций в результате работы вентиляторов являются недостатками принудительного охлаждения, однако реализуется конструктивно просто и обеспечивает высокую гибкость при перепланировке технических средств.

Количество теплоты Q ккал, получаемое воздухом массой m при уве­личении его температуры на величину t, равно:

Q = c m·t,

где с - удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг·°С).

Расход воздуха для охлаждения, м3/час:

Vp = 860 kPt,

где k - коэффициент (обычно 1,25), учитывающий утечку охлаждающего воздуха через неплотности в конструкции; Р - потребляемая мощность, кВт; р — плотность воздуха (при 0°С и нормальном атмосферном давлении = 1,293кг/м3).

Мощность, рассеиваемая в виде теплоты, принимается равной по­требляемой аппаратурой электрической мощности. При полном переходе элек­трической энергии в тепловую справедливо соотношение 1 кВт/ч = 860 ккал.

Системы охлаждения с жидкими хладоагентами применяют только для достаточно больших измерительно-вычислительных систем.

Выбор способа охлаждения. При выборе способа охлаждения РЭА учитываются ее режим работы, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, объект ус­тановки, окружающая среда.

Режим работы аппаратуры характеризуется длительностями включенно­го и выключенного состояний и бывает длительным, кратковременным, кратковременно-повторным. Длительный режим свойственен стационар­ной аппаратуре, которая находится во включенном состоянии в продолже­ние многих часов и дней, кратковременный - бортовой, время непрерывной работы которой исчисляется несколькими часами.

При проектировании сложной аппаратуры с длительным временем включенного состояния, как правило, возникнет необходимость в разработке принудительной системы охлаждения (СО). Решение о разработке СО для аппаратуры кратковременно-повторного режима работы принимается лишь после ана­лиза режима работы аппаратуры. Переносная РЭА в силу малых рассеиваемых мощностей принудитель­ной СО не снабжается.

Необходимость разработки СО выявляет тепловой анализ РЭА. Для этого по каждому модулю первого уровня состав­ляется перечень тепловыделяющих компонентов, устанавливаются рассеи­ваемые мощности и максимально допустимые температуры. На основе этих данных выделяются критичные к перегреву компоненты, а также компонен­ты, устанавливаемые на теплоотводы. Далее рассчитываются удельные по­верхностные и объемные тепловые потоки модулей высших уровней. По значениям плотности теплового потока qs и qv в первом приближении выбирают систему охлаж­дения по допустимому перегреву в 40°С.

Плотность тепловых потоков аппаратуры

Способ охлаждения

Негерметичная qs, Вт/см2, не более

Герметичная qv Вт/см3, не более

Естественная конвекция

Принудительная конвекция

Водо-воздушный

0,05

0,50

0,65

0,02

0,45

0,60

5.3. Защита аппаратуры от воздействия влажности [2]

От прямого воздействия влаги стационарная и транспортируемая РЭА, как правило, не защищена и не должна эксплуатироваться в этих условиях. Однако на работающую аппара­туру воздействуют пары влаги окружающего воздуха. Нормальной влажностью считается относительная влажность 60...75 % при температуре 20.. .25 °С.

Выпадение росы (кон­денсация на холодных поверхностях конструкции) вызывается понижением температуры, которое практически все­гда имеет место при отключении и последующем хранении аппаратуры. На­пример, если в течение дня влажность внутри РЭА составляла 70 %, то точка росы оказывается всего на 5 °С ниже температур, которые имели место внутри РЭА.

Интенсивное нагревание переохлажденной аппаратуры перед приве­дением ее в рабочее состояние также приводит к конденсации влаги на хо­лодных элементах конструкции. Капли конденсата будут стекаться и собираться в местах «ловушек влаги». В результате аппаратура будет находиться под постоянным воздействием влаги.

Длительное воздействие высокой влажности вызывает коррозию металлических кон­струкций, набухание и гидролиз органических материалов. Продуктом гидролиза являются органические кислоты, разру­шающие органические материалы и вызывающие интенсивную коррозию металлических несущих конструкций. Наличие во влажной атмосфере про­мышленных газов и пыли приводит к прогрессирующей коррозии. В резуль­тате создания благоприятных условий для образования плесени воздействие влаги может многократно усилиться.

Существенно влияние влажности на электрические соединения. При повышенной влажности коррозируют проводники, на разъемных контактах появляются налеты, ухудшающие их качество, отказывают паяные соедине­ния, особенно если они загрязнены. С течением времени рыхлая окисная пленка может оказаться в гнездовых контактах соединителей, что приводит к трудно устранимым отказам.

Слоистые диэлектрики, поглощая влагу, меняют параметры и харак­теристики. Образование на печатных платах водяной пленки приводит к снижению сопротивления изоляции диэлектриков, появлению токов утечки, электрическим пробоям, механическим разрушениям вследствие набухания-высыхания материала. Из-за погло­щения влаги значительно уменьшается электрическая прочность, что осо­бенно сказывается на работоспособности высоковольтных узлов. Влажность ускоряет разрушение лакокрасочных покрытий, нарушает герметизацию и целостность заливки элементов влагозащитными материалами. За 3 - 4 года эксплуатации при относительной влажности ни­же 20 % и температуре +30 °С полностью высыхает изоляция проводов, в результате чего она становится ломкой, меняет свойства.

Защита аппаратуры от воздействия влажности осуществляется соот­ветствующими материалами, покрытиями, применением усиленной венти­ляции сухим воздухом, поддерживанием внутри изделий более высокой температуры, чем температура окружающей среды, использованием погло­тителей влаги, разработкой герметичной аппаратуры.

Коррозия протекает более интенсивно при контактиро­вании материалов с существенно различными электрохимическими потен­циалами. Металл с отрицательным потенциалом гальванической пары будет разрушаться тем быстрее, чем больше разница электрохимических по­тенциалов. Электрохимические потенциалы металлов в пресной и морской воде представлены в таблице.

Электрохимические потенциалы металлов

Пресная вода

Морская вода

Металл

Потенциал, мВ

Металл

Потенциал, мВ

Серебро

+194

Серебро

+149

Медь

+140

Никель

+46

Никель

+118

Медь

+10

Алюминий

-169

Свинец

-259

Олово

-175

Цинк

-284

Свинец

-283

Сталь

-335

Сталь

-350

Кадмий

-519

Кадмий

-574

Алюминий

-667

Цинк

-823

Олово

-809


Если по тем или иным причинам невозможно заменить металлы с высокой разницей электрохимических потенциалов, то на них наносятся защитные по­крытия. Применяются металлические, химические и лакокрасочные покрытия.

Металлические покрытия образуют с основным материалом детали контактную пару. В зависимости от полярности потенциала различают по­крытия анодные (отрицательный потенциал покрытия по отношению к ос­новному металлу) и катодные (положительный потенциал покрытия). При коррозии может разрушаться как основной металл детали, так и покрытие. Разрушение происходит из-за наличия пор в покрытиях, повреждений в ви­де сколов, царапин, трещин, возникающих в процессе эксплуатации, и будут тем интенсивнее, чем больше разница электрохимических потенциалов ме­жду основным металлом и покрытием. При анодном покрытии вследствие коррозии разрушается само покрытие, при катодном – основной металл.

В качестве материалов покрытий наибольшее распространение полу­чили никель, медь, цинк, кадмий, олово и серебро. Толщина покрытия вы­бирается в зависимости от материала и способа нанесения покрытия. Для улучшения механических и защитных свойств покрытий рекомендуются к применению многослойные покрытия из разнородных материалов. Толщина покрытия обычно равна 1-15 мкм.

Оксидирование - получение окисной пленки на стали, алюминии и его сплавах. Покрытие имеет хороший внешний вид, антикоррозион­ные свойства, но оно микропористое и непрочное. Последнее свойство покрытия позволяет его использовать как грунт под окраску.

Анодирование - декоративное покрытие алюминия и его сплавов электрохимическим способом. Защитная пленка химически устойчива, об­ладает высокими электроизоляционными свойствами, надежно защищает от коррозии, может быть окрашена.

Фосфатирование - процесс образования на стали защитной пленки с высокими антикоррозионными и электроизоляционными свойствами, хоро­шей адгезией. Получаемое покрытие пористо и недостаточно прочно. Фос­фатные пленки используются как грунт под окраску.

Лакокрасочные покрытия защищают детали от коррозии. Как недоста­ток следует отметить низкую механическую прочность и термостойкость. Этот вид покрытия применяется для окрашивания каркасов, кожухов, лице­вых панелей приборов и т. п. Качественный внешний вид изделия обеспечи­вается многослойным окрашиванием. Толщина лакокрасочного покрытия колеблется от 20 до 200 мкм. Различают следующие виды лаковых покрытий для защиты от соответствующих видов внешнего воздействия:

  • Водостойкие - морская, пресная вода и ее пары.

  • Специальные - облучение, глубокий холод, открытое пламя, биологи­ческое воздействие и пр.

  • Маслобензостойкие – минеральные масла и смазки, бензин, керосин.

  • Химически стойкие – различные химические реагенты, агрессивные газы, па­ры и жидкости растворы кислот и солей.

  • Термостойкие - температура выше +60 °С.

  • Электроизоляцион­ные - электрический ток, коронные и поверхностные разряды.

Недостатком лаковых покрытий является то, что они требуют высокой чистоты производственных процессов и усложняют заме­ну компонентов. При эксплуатации покрытия скалываются, шелушатся и загрязняют контакты электрических соединителей. Пары воды, попадая под покрытия, конденсируются и уменьшают электри­ческое сопротивление между разобщенными цепями. При высыхании по­крытия образующиеся мосты из лака между рядом расположенными выво­дами компонентов передают механические напряжения на выводы и паяные соединения, увеличивая вероятность отказа паяных контактов.

5.4. Защита от воздействия пыли [2]

Пыль - смесь твердых частиц малой массы, находящаяся в воздухе во взвешенном состоянии. Различают пыль естественную или природную, всегда присутствующую в воздухе, и техническую, кото­рая является следствием износа оборудования, обработки материалов, сжигания топлива и пр.

При относительной влажности воздуха выше 75 % и нормальной тем­пературе наблюдается рост числа частиц пыли, их коагуляция, увеличивает­ся вероятность притяжения пыли к неподвижным поверхностям. При низкой влажности частицы пыли электрически заряжаются, неметал­лические - положительно, металлические - отрицательно. Заряд частиц чаще всего возникает из-за трения.

Загрязненность воздуха пылью снижает надежность работы РЭА. Пыль, попадая в смазочные материалы и прилипая к скользящим поверхностям деталей электромеханических узлов, приводит к ускоренному их износу. Под воздействием пыли изменяются параметры и характеристики магнитных лент, дискет, магнитных головок, царапается и приходит в не­годность магнитный слой. Пыль в зазорах контактов препятствует замыка­нию контактов реле.

Оседающая на поверхности некоторых металлов пыль опасна из-за своей гигроскопичности, поскольку уже при относительно небольшой влажности пыль существенно повышает скорость коррозии. Пыль с поглощенными ею растворами кислот разрушает достаточно быстро даже очень хорошие краски. В тропических странах пыль часто является причиной роста плесени.

Слежавшаяся в процессе длительной эксплуатации на поверхности компонентов пыль снижает сопротивление изоляции, особенно в услови­ях повышенной влажности, приводит к появлению токов утечек между выводами, что очень опасно для микросхем. Диэлектрическая проницаемость пыли выше диэлектрической проницаемости воздуха, что определяет завышение ем­кости между выводами компонентов и, как следствие, увеличение емко­стных помех. Оседающая пыль снижает эффективность охлаждения изделия, образует на поверх­ностях печатных плат, не защищенных лаковым покрытием, токопроводящие перемыч­ки между проводниками.

Пыленепроницаемость РЭА или отдельных ее устройств может быть достигнута установкой их в герметичные корпуса. Однако при этом возрастает стоимость РЭА и ухудшается температурный режим рабо­ты. Если корпус РЭА выполнен с перфорациями, пыль вместе с воздухом проникнет внутрь РЭА естественным путем либо вместе с воздушными пото­ками от вентиляторов. Уменьшить попадание пыли внутрь РЭА воз­можно установкой на вентиляционные отверстия мелкоячеечных сеток и противопыльных фильтров.

5.5. герметизация аппаратуры [2]

Герметизация РЭА является надежным средст­вом защиты от воздействия от пыли, влажности и вредных веществ окружающей сре­ды.

Модули конструкции первого уровня защищают покрытием лаком, заливкой эпок­сидной смолой, пропиткой, особенно моточных изделий, опрессовкой гер­метизирующими компаундами на основе органических (смол, битумов) или неорганических (алюмофосфатов, металлометафосфатов) веществ. Герметизация компаундами улучшает элек­троизоляционные и механические характеристики модуля. Однако низкая теплопроводность большинства компаундов ухудшает отвод теплоты и делает невозможным ремонт.

Полная герметизация путем помещения изделия в герметич­ный кожух является самым эффективным способом защиты, но и до­рогим. При этом возникает необходимость в разработке специальных кор­пусов, способов герметизации внешних электрических соедини­телей, элементов управления и индикации. Стенки герметизируемых изделий должны противостоять значи­тельным усилиям из-за разницы давлений внутри и снаружи изделия. В ре­зультате увеличения жесткости конструкции возрастает ее масса и размеры.

Существует большое разнообразие способов герметизации. Широко применяются упругие уплотнительные прокладки для всех элементов конструкции по периметру изделия. Проход воздуха через уплотнения при сжатии прокладки на 25...30 % от ее первоначальной высоты происходит только за счет диффу­зии. В качестве материала прокладок используют резину, обладающую вы­сокой эластичностью, податливостью и способностью проникать в мельчайшие углубления и неровности. Влага со временем проникает через все органические материалы, по­этому изделия с прокладками из органических материалов обеспечивают защиту от водяных паров лишь на протяжении нескольких недель.

Постоянства относительной влажности в определенных пределах внутри герметичного аппарата можно добиться введением внутрь изделия веществ, активно поглощающих влагу. Подобными веществами являются силикагель, хлористый кальций, фосфорный ангидрид. Они впиты­вают влагу до определенного предела. Например, силикагель поглощает около 10 % влаги от своей сухой массы.

В особых случаях в качестве материалов прокладок применяют медь и нержавеющую сталь с алюминиевым или индиевым покрытием. Такие про­кладки чаще всего выполняются трубчатыми с внешним диаметром 2-3 мм при толщине стенок 0,1-..0,15 мм. Усилие поджатия при герметизации ме­таллическими прокладками составляет 20...30 кг на 1см длины прокладки.

При жестких требованиях к герметичности корпуса изделия герметизацию выполняют сваркой или пайкой по всему периметру корпуса. Конструкция корпуса изделия должна допускать неоднократное выполнение операций разгерметизации/герметизации. В углубление корпуса устанавливается прокладка из жаростойкой резины, на которую укладывается стальная лу­женая проволока, которая припаивается к корпусу, образуя шов. При разгерметизации изделия шов нагревают, и припой вместе с проволокой удаляется.

При герметизации внутренний объем герметизируемой аппаратуры заполняется инертным газом (аргоном или азотом) с небольшим избыточ­ным давлением. Закачка газа внутрь корпуса осуществляется через клапаны-трубки с последующей герметизацией. Продувка азотом обеспечивает очистку полос­ти корпуса от водяных паров.

Элементы управления и индикации герметизируются резиновыми чехлами, мембранами, электрические соединители - установкой на про­кладки, заливкой компаундами.

Выбор способа герметизации определяется условиями эксплуатации, применяемыми материалами и покрытиями, требованиями к электрическо­му монтажу. Окончательное решение о выборе способа герметизации при­нимается после проведения натурных испытаний РЭА в камерах влажности.




Литература

  1. Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. – 2001. - http://www2.fep.tsure.ru/russian/kes/books/kitevm/lekpart1.doc

  2. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с. URL: http://slil.ru/22574041/529407141/Konstruktorsko-tehnologicheskoe_proektirovanie_elektronnoj_apparatury.rar


Главный сайт автора ~ Лекции по конструированию аппаратуры

О замеченных опечатках, ошибках и предложениях по дополнению: davpro@yandex.ru.

Copyright ©2006 Davydov А.V.



Случайные файлы

Файл
8373-1.rtf
112443.rtf
118431.rtf
17151.rtf
55.doc