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2019/11/24

氣密設計分享

防塵、氣密或水密設計在工業跟消費性產品中經常會出現,
包括汽車引擎的汽缸與活塞環、按壓式洗手/面/沐浴乳、防水手機等等。

其中針對產品在不同應用環境上對外界灰塵、水氣等對產品的不良影響防範,
在產品國際防護等級認證上有 IP 等級,
例如 IP67,
其中的數字 6 代表完全防塵,數字 7 代表可承受高壓水柱衝擊,
相關數字代碼的定義(規定)可以參考維基百科上的說明如下:

第一位數字用來表示產品外殼用來保護內部組件(比如電子與機械零件)和防禦外部物體進入的能力。
等級可防護下列直徑之球體完全進入箱體內描述
0等同於直接暴露,無法保護接觸與外物入侵。
1>50mm可避免身體上任意大表面接觸,但無法阻擋刻意以身體某部位接觸,例如手掌、手背。
2>12.5mm可阻擋手指大小或相似大小之物體。
3>2.5mm能阻止螺絲起子等工具進入。
4>1mm隔絕多數電線伸入與細小尖端的工具、或螞蟻等爬入。
5防塵並不完全防禦灰塵進入,但必須有足夠的數量才能對設備的正常運作造成影響,並且完全防止接觸。
6完全防塵灰塵無法進入,完全防止接觸。

第二個數字表示設備外殼抵禦液體滲透的能力。
等級防護於測試目標細節
0無防護
1滴水垂直滴水應無負面效果。測試時間:10分鐘。
水量等於每分鐘1mm雨量。
2傾斜15°滴水傾斜到正常姿態的15°時,在傘狀保護下垂直水滴應無負面效果。測試時間:10分鐘。
水量等於每分鐘3mm雨量。
3噴霧加壓噴霧在設備外部上方(垂直線60度內)應無滲入等負面效果。以噴嘴測試
測試時間:10分鐘。
水量:10L每分鐘
水壓:50–150kPa

4潑濺水從任何角度潑濺到設備上應無負面效果。以噴嘴測試
測試時間:10分鐘。
水量:10L每分鐘
水壓:50–150kPa
5低壓水柱從噴嘴(6.3mm)射出的水柱從任意角度噴射到設備外殼上應無負面效果。測試時間:至少3分鐘。
水量:12.5L每分鐘
水壓:距離為3m時 30kPa
6高壓水柱從強力噴嘴(12.5mm)射出的加壓水柱從任意角度噴射到設備外殼上應無負面效果。測試時間:至少3分鐘。
水量:100L每分鐘
水壓:距離為3m時 100kPa
7浸入水中最多1m設備外殼在明確的條件,包括水壓和時間下,浸入水中(最多浸入1m)時將不會因浸水而導致設備損壞。測試時間:30分鐘。
設備高度低於850mm時,設備外殼最低點需浸沒於水面以下1000mm。
設備高度大於850mm時,設備外殼最高點需浸沒於水面以下150mm。
8浸入水中超過1m設備可在製造商指定的條件下適合於長時間浸入水中。通常這表示該設備是密封的。然而在某些設備上,也可指水可以進入但不會造成負面效果。測試時間:持續浸入水中至少1小時。
深度由製造商指定,市面上標榜防水等級IPX8智慧型手機測試深度通常為2m。
9K高溫高壓水柱設備可在製造商指定的條件下承受近距離的高溫高壓水柱沖擊。測試時間:共2分鐘。
IP69K是德國標準DIN 40050 PART9所定義的高溫高壓水保護措施。 將80℃的水從指定形狀的噴嘴以80-100BAR的水壓排放到樣品中。 水量為14-16升/分鐘。 樣品與噴嘴之間的距離為10-15cm,出水方向在水平方向上為0、30、60、90度。 樣品在每個方向上水平放置30秒, 在樣品表面旋轉時執行。
產品設計上若要達到 IPXY的標準就必須在一些小細節上多加注意,阻擋灰塵、液體侵入產品造成損壞。

氣密、水密常見的方式就是密封環膠條設計,
近這幾年防水手機在電池生命週期延長後,也開始使用密封膠設計。

一般的防水、防塵都還算容易,
麻煩的是超高真空度的氣密設計,
或者是電子、生醫產品上的阻氣設計,
原因在於使用的材料,跟表面加工精度、粗糙度限制很難真正完全阻擋氣體。

材料上要能夠完全阻絕氣體的穿透並不如想像中的容易,
像金屬、玻璃類的材料微觀結構上分子間的間隙很小或分子間作用力都可以阻擋大部份的氣體穿透,
但是這一類的材料相對硬度高,在製作上要達到兩個接觸面完全緊密貼合幾乎是不可能的事情,
因此氣體會有機會從接觸面中的縫隙穿過去,造成氣體滲漏的情況。

所以常見的設計會使用彈性材料例如橡膠,放在兩個接觸面之間,
將這些縫隙填滿,使氣體無法通過。

但是這是理想狀況,
實務上橡膠、塑膠、固化的膠等都是一種高分子聚合物,
在材料中其實存在有大小不等的微細結構。

這些微細結構的存在,使得材料具有彈性變形的能力,
但是微細結構間的縫隙也給了氣體分子穿通滲透的空間;
所以高分子聚合物阻擋較大的液體分子還可以,
但是就無法完全阻擋比較小的氣體分子(高壓端吸附、擴散滲透、低壓端脫附)通過,
通常的解決方法的基本概念是增加氣體通過的阻力,

1. 增加氣體通過距離的長度,

2. 使用高壓壓鑄橡膠,增加橡膠的密度,減少空隙,

但是這還是無法完全阻擋氣體分子的通過,
尤其是對上分子量低(分子小)的氫、氦,
像氦氣或氫氣氣球充氣一段時間以後還是會消氣,
相對使用分子量大(分子大)的一般空氣、氮氣,氣球就可以撐比較久,氣消的比較慢。

所以在氣密設計上,氣密用的材料選擇其實是有門道的,
要根據需要的阻氣能力選擇,其中一個重要指標就是氣體在阻氣材料中的擴散率,
可以參考Fick's First Law,菲克第一定律:

菲克定律(Fick’s law):F= -D‧ΔC/t

其中:
F為氣體擴散通量
D為擴散係數,需配合材質取得針對不同氣體的數值,例如某規格塑膠材料對氧氣的擴散係數,或透過率(Oxygen Transmission Rate,OTR)反算
ΔC為阻氣膜兩側氣體的濃度差
t為阻氣材料的厚度
取得資料時需注意單位的匹配。

一般人觀念上應用氣體穿透路徑加長的概念,其實就是增加密封材料的尺寸,
也就是加大上述公式中 t 的數值。
另外跟材料性質有關的就是擴散係數 D,從公式看,擴散係數高則氣體不容易擴散到阻氣膜的另一側。

在一些超高真空系統上,氣密環(封條)會使用金屬如無氧銅取代高分子聚合物來當作材料來阻絕氣體通過。


選擇好材料後,設計上除了材料尺寸以外,
另外一個重點是材料接觸面上的接觸壓力,
如果接觸壓力不夠,可能會有以下兩個狀況發生:

1. 氣密材料的變形不足以充填微間隙
2. 氣體可以推開氣密材料造成漏氣

接觸壓力相關的設計要注意的是:
1. 接觸壓力的大小要超過氣體壓力差
2. 接觸壓力分布範圍要足以全面性覆蓋需要氣密的範圍
3. 接觸壓力越大越好,但是又不可超過材料的破壞強度(不需反覆拆裝)或彈性極限(需反覆拆裝)

這時候螺絲固鎖位置跟密度設計就很重要了,
CAE 軟體就可以在這方面幫上忙,可以利用模擬來檢視固鎖螺絲孔的分布位置對接觸壓力分布的影響。



Ref.
Seal Design Guide
Vacuum SealingTechnology
VACUUM SEALS DESIGN CRITERIA
How-do-I-design-a-vacuum-seal
氣體阻障膜之介紹及應用,大永真空科技網頁
Nanocellulose in thin films, coatings, and plies for packaging applications: A review
金屬密封件,Pfeiffer 真空技術
Permeation,維基百科"滲透性"說明

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