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Von Jake Sanders und Ashley Merrill, Donaldson Integrated Venting Solutions
Der Einbau der richtigen Be- und Entlüftung ist bei der Entwicklung neuer Produkte und Gehäuse stets ein kritischer Aspekt. Da verhindert werden muss, dass flüssige und feste Verunreinigungen in Gehäuse gelangen, gleichzeitig jedoch eine ungehinderte Zirkulation von Gasen durch diese Bereiche notwendig ist, kommt der Be- und Entlüftung eine entscheidende Rolle für den einwandfreien Gerätebetrieb zu. Eine gut konzipierte Gehäusebelüftung (EPV) schützt empfindliche Geräte und kann außerdem zu einer längeren Lebensdauer der in den Gehäusen eingebauten Dichtungen und Verschlüssen beitragen.
Die bedarfsgerechte Spezifikation hängt im Allgemeinen von drei Faktoren ab: Eindringschutz, Luftstrom und Anbringungsmethode. Alle drei sind wichtig, aber jeder der drei kann wichtiger werden, abhängig von der Anwendung, den Betriebsbedingungen und anderen Faktoren. Um zu der besten Entlüftungslösung zu gelangen, ist ein klares Verständnis jedes Faktors erforderlich, zusammen mit einem integrierten Ansatz, um die relative Wichtigkeit jedes einzelnen Faktors zu bestimmen. Ein integriertes Belüftungselement bietet eine ausgewogene Berücksichtigung dieser Faktoren, um die jeweils optimale Lösung für jede Situation zu identifizieren.
Eindringschutzklasse (IP)
Bei der Bewertung von Belüftungslösungen ist einer der wichtigsten Parameter die Eindringschutzklasse (IP). Die Norm 60529 der International Electrotechnical Commission (IEC) definiert eine zweistellige Kennziffer, die die Wirksamkeit der Abdichtung von Gehäusen gegen das Eindringen von Festkörpern und Feuchtigkeit angibt. Die erste Ziffer gibt den Schutz vor Fremdkörpern an, wie bewegliche Teile, Abrieb und Staub. Die zweite Ziffer gibt den Schutzgrad gegen Feuchtigkeit an, wie Tropfen, Spritzer und Eintauchen. Je höher die Zahl, desto höher die Schutzklasse.
Ein Gehäuse, das nur Schutz vor Objekten von der Größe einer menschlichen Hand und senkrecht fallendem Tropfwasser bietet, würde beispielsweise die IP-Schutzklasse 11 haben. Ein Gehäuse, das vollständigen Schutz vor Staub sowie starkem Strahlwasser mit hoher Temperatur bietet, hätte die IP-Schutzklasse 69k. Tabelle 1 listet die verschiedenen IP-Schutzklassen auf.
Tabelle 1: Bewertung der Eindringschutzklasse (IP)
| IP | Erste Ziffer (Eindringen von Festkörpern) | Zweite Ziffer (Schutz vor Feuchtigkeit) |
|---|---|---|
| 0 | Kein Schutz | Kein Schutz |
| 1 | Fremdkörper über 50 mm (z. B. Hände, große Werkzeuge) | Senkrecht fallende Tropfen oder Kondenswasser |
| 2 | Fremdkörper über 12,5 mm (z. B. Finger, kleinere Werkzeuge) | Fallende Tropfen, wenn das Gehäuse um einen Winkel bis zu 15° beiderseits der Senkrechten geneigt ist |
| 3 | Fremdkörper über 2,5 mm (z. B. Draht) | Wasserspritzer aus jeder Richtung, auch wenn das Gehäuse in einem Winkel bis zu 60° beiderseits der Senkrechten geneigt ist |
| 4 | Fremdkörper über 1 mm (z. B. dünne Drähte) | Wasser, das aus jeder Richtung gegen das Gehäuse spritzt, |
| 5 | Begrenzter Schutz gegen das Eindringen von Staub (keine schädlichen Ablagerungen) | Strahlwasser mit niedrigem Druck aus jeder Richtung; begrenztes Eindringen zulässig |
| 6 | Staubdicht | Strahlwasser mit hohem Druck aus jeder Richtung; begrenztes Eindringen zulässig |
| 7 | Keine Angabe | Zeitweiliges Untertauchen in Wasser |
| 8 | Keine Angabe | Längeres oder dauerndes Untertauchen in Wasser |
| 9k | Keine Angabe | Starkes Strahlwasser mit hoher Temperatur aus nächster Nähe |
IP-Schutzklassen sind hilfreich, um die Eigenschaften der Belüftungslösung auf die Produktanforderungen abzustimmen. Zum Beispiel ist das in Abbildung 1 gezeigte Beleuchtungssystem für Fahrzeuge wahrscheinlich Staub und Feuchtigkeit ausgesetzt, wird jedoch nicht unbedingt in Wasser eingetaucht, sodass die IP-Schutzklasse 55 oder 66 zutrifft. Ein Gerät der Unterhaltungselektronik, das wahrscheinlich weder Staub noch Wasser ausgesetzt ist, erfordert die IP-Schutzklasse 44. Wenn ein elektronisches Gerät jedoch eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Staub benötigt und eventuell in Wasser eingetaucht wird, sollte die IP-Schutzklasse auf 67 oder 68 erhöht werden.
In Abhängigkeit von Betriebsbedingungen und Kostenfaktoren sind unterschiedliche IP-Kombinationen möglich. Jeder Anwendungsbereich, wie beispielsweise Automobil, Medizin, Verpackung und Unterhaltungselektronik, stellt eine einzigartige Umgebung dar, die bei den IP-Anforderungen berücksichtigt werden muss. Auch die Wahl einer möglichst hohen IP-Schutzklasse ist nicht immer die beste Lösung; beispielsweise kann ein höherer Schutzgrad gegen Wasser die Luftzirkulation beeinträchtigen.
Luftstromanforderungen
Zusammen mit der IP-Schutzklasse spielen die Luftstromanforderungen bei der Auswahl des richtigen Belüftungselements eine entscheidende Rolle. Diese Elemente dienen normalerweise dazu, den Druck innerhalb und außerhalb eines Gehäuses auszugleichen. Ein höherer Luftdurchsatz ermöglicht einen schnelleren Ausgleich und niedrigere Maximaldruckdifferenzen. Wenn sich in einem System Druck aufbaut, geht dies zu Lasten des Schwachpunkts, daher nimmt eine richtig ausgelegte Druckausgleichslösung den Druck von empfindlichen Teilen und sorgt für einen angemessenen Luftstrom. Geräte wie Fahrzeugsensoren sind in hohem Maße auf Belüftungselemente angewiesen, um während des Betriebs den Druck auszugleichen.
Bei der Definition der Luftstromanforderungen zu berücksichtigende Faktoren sind unter anderem die Gesamtzeit, die zur Evakuierung eines Gehäuses benötigt wird, sowie der Betriebsdruck innerhalb des Gehäuses. Eine richtige Belüftung hilft bei der Minimierung von Druckdifferenzen innerhalb und außerhalb eines Gehäuses, wobei Druckausgleichselemente, die einen höheren Luftdurchsatz erlauben, die Evakuierungszeit und die Druckdifferenzen im System reduzieren.
Abbildung 2: Die richtige Belüftungslösung stimmt Luftstrom und Eindringschutz aufeinander ab.
Auch das Ausmaß der Druckänderung muss in Betracht gezogen werden. Druckänderungen entstehen meist aufgrund von Temperaturänderungen innerhalb des Gehäuses, die auf Änderungen in der Umgebungstemperatur, Sonnenlicht, von Elektronikgeräten erzeugte Wärme oder Feuchtbelastung zurückzuführen sind. Bei einigen Anwendungen lässt sich der Druck direkt durch Zusammendrücken des Gehäuses, Höhenveränderungen, Eintauchen, chemische Reaktionen innerhalb des Gehäuses oder andere Faktoren ändern. Je höher das Ausmaß der Druckänderung, desto größer sollte der Luftdurchsatz sein. Ein höherer Luftdurchsatz hat möglicherweise auch andere Vorteile, wie eine bessere Reaktionszeit der elektronischen Sensoren innerhalb der Gehäuse.
Die Luftstromanforderungen können zwar ein kritischer Faktor sein, sie müssen jedoch mit dem Eindringschutz abgewogen werden. Ein höherer Eindringschutz kann den Luftstrom beeinträchtigen und umgekehrt. Die richtige Belüftungslösung findet den „Optimalpunkt“ für einen optimierten Luftstrom und Feuchtigkeitsschutz, wie in Figure 2 schematisch dargestellt.
Abbildung 3 zeigt, wie Filtergrößen und Medien das Druckverhalten beeinflussen. Zwei Druckausgleichselemente mit unterschiedlicher Größe, die jeweils an einem Gehäuse angebracht sind, das einer exponentiellen Temperaturänderung von 20 Grad ausgesetzt ist, zeigen im Verlauf der Zeit unterschiedliche Druckdifferenzen. Im Allgemeinen zeichnen sich Medien mit höherer Durchlässigkeit durch einen höheren Luftdurchsatz und eine niedrigere Druckdifferenz aus.
Anbringungsmethode
Ein weiterer kritischer Faktor, der bei der Be- und Entlüftung berücksichtigt werden muss, ist die Anbringungsmethode. Selbst bei richtiger Auslegung von IP-Schutzklasse und Luftstromspezifikation kann die Wirksamkeit der Belüftung beeinträchtigt sein, wenn die Belüftungselemente nicht richtig angebracht sind. Die allgemeinen Anbringungsmöglichkeiten für Belüftungselemente zum Schutz von Gehäusen umfassen: Screw-Fit, Snap-Fit, Press-Fit und Weld-Fit (unter Anwendung von Hitze oder Ultraschalltechnik). Eine Auswahl dieser Optionen ist in Abbildung 4 dargestellt.
Screw-Fit
Snap-Fit
Press-Fit
Die verschiedenen Befestigungsmethoden sind jeweils in bestimmten Situationen von Vorteil. Belüftungselemente mit Gewinde lassen sich meist gut in vorhandene Geräte integrieren, wie beispielsweise Schutzgehäuse, Beleuchtungsgehäuse, Elektronikgeräte und andere Gehäuse, die Druckausgleichselemente samt entsprechendem Schutz benötigen.
Snap-Fit Belüftungselemente lassen sich ebenfalls in vorhandene Geräte integrieren und sind nützlich, wenn eine schnelle Montage erforderlich ist. Bestimmte Press-Fit EVPs werden oft für elektronische Geräte verwendet, in denen der vorhandene Platz begrenzt ist. Der Filter wird mithilfe einer Filtrationsmembran und einem druckempfindlichen Klebering an dem Gerät befestigt.
Abbildung 5: Bei der Weld-Fit-Lüftung ist das Belüftungsmaterial direkt in das Gehäuse integriert.
In einigen Fällen lassen sich benutzerdefinierte Belüftungselemente direkt in einer Baugruppe in einem Gehäuse integrieren, wie in Abbildung 5 gezeigt. Diese Methode wird häufig für Geräte verwendet, für die sich Klebstoffe nicht eignen, weil chemische Unverträglichkeiten oder extreme Temperaturen vorliegen oder der Filterpfad physisch geschützt sein muss. Durch dieses Vorgehen wird auch der Einbau im Gerät vereinfacht. In diesen Situationen werden Belüftungselemente häufig mittels Weld-Fit oder Spritzgießen angebracht.
Bei der Auswahl der richtigen Anbringungsmethode sind unter anderem folgende Faktoren zu berücksichtigen: die Zusammensetzung des Materials, an dem das Belüftungselement angebracht werden soll, die chemische Verträglichkeit, die Betriebsbedingungen, wie Temperatur und Druck, sowie die Montagebedingungen. Unabhängig von der Anbringungsmethode sind integrierte Druckausgleichselemente häufig die effizienteste Lösung. Wenn ein Anbieter von Belüftungselementen eine integrierte Lösung bieten kann und nicht nur ein einzelnes Druckausgleichselement, das separat installiert werden muss, können sich Planer und Hersteller auf die Anforderungen ihres Produkts konzentrieren und die Anbringungsmethode außer Acht lassen. Durch die richtige Anbringung von Belüftungselementen lassen sich langfristige Kosten- und Effizienzvorteile sowie eine längere Lebensdauer erzielen.
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Zusammenfassung
Bei der Beurteilung der drei kritischen Faktoren für eine Be- oder Entlüftungslösung müssen Produktdesigner und Hersteller erst alle Faktoren berücksichtigen und dann festlegen, welche in bestimmten Situationen Vorrang haben. IP-Schutzklasse, Luftstrom und Anbringungsmethode spielen alle eine Rolle, wobei einem oder mehreren Faktoren in bestimmten Situationen mehr Gewicht zukommt.
Filtrationsmaterialien und -eigenschaften müssen unter Umständen ebenfalls berücksichtigt werden. Unter anderem zählen dazu folgende Eigenschaften:
- Oleophob – ölabweisend
- Hydrophob – wasserabweisend
- Hohe Effizienz – wirksames Abscheiden von Partikeln aus Luftströmen
- Ultrarein – bewahrt Reinheit in Gehäusen
- Adsorbens-Optionen - steuern Geruch, flüchtige organische Stoffe, Dämpfe und Gase
Unter Berücksichtigung der verschiedenen Faktoren ist ein integrierter Ansatz der Schlüssel zur erfolgreichen Spezifikation einer Entlüftungslösung. Die Auslegung einer Belüftungslösung ist kein Universalprozess, sondern die Faktoren sind bei verschiedenen Projekten jeweils unterschiedlich zu gewichten. Je früher der Auswahlprozess beim Systemdesign und die Beurteilung der kritischen Faktoren stattfinden, desto mehr Optionen stehen zur Auswahl und desto größer ist die Erfolgswahrscheinlichkeit.
Ashley Merrill ist Global Product Marketing Manager für den Bereich Integrated Venting Solutions der Donaldson Company. Sie hat einen BSBA der Drake University und einen MBA der Universität von Iowa. Merrills berufliche Laufbahn schließt vierzehn Jahre Erfahrung in der Industrie für schwere Nutzfahrzeuge, im Automobilbereich und in der chemischen Industrie ein.
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