Wie lässt sich ein wasserdichtes Gehäuse belüften
Wie lässt sich ein wasserdichtes Gehäuse belüften, ohne dessen Schutz zu beeinträchtigen?
Ein wasserdichtes Gehäuse schützt die darin untergebrachte Elektronik, die Sensoren oder die Geräte vor Wasser, Staub und Verunreinigungen. Wird es jedoch ohne entsprechende Vorkehrungen verschlossen, verursacht es selbst ein Problem: Die im Inneren eingeschlossene Luft reagiert auf Temperatur- und Druckschwankungen und belastet ständig die Dichtungen, die eigentlich zum Schutz dienen sollen. Die Lösung besteht nicht darin, auf die Dichtigkeit zu verzichten, sondern das Gehäuse kontrolliert atmen zu lassen – mithilfe einer Belüftungsmembran, die den Druck ausgleicht, Feuchtigkeit ableitet und weiterhin flüssiges Wasser und Staub abhält.
Warum muss ein wasserdichtes Gehäuse atmen können?
Die in einem geschlossenen Gehäuse eingeschlossene Luft folgt einer einfachen physikalischen Regel: Wenn die Temperatur steigt, dehnt sie sich aus und der Innendruck steigt; wenn sie sinkt, zieht sie sich zusammen und der Druck sinkt. Diese Zyklen wiederholen sich bei jedem Einschalten einer Komponente, bei jeder Sonneneinstrahlung, bei jedem Regen oder jeder Reinigung, die das Gehäuse abrupt abkühlt. Schwankungen des Luftdrucks, insbesondere in Abhängigkeit von der Höhe, stellen eine zusätzliche Belastung dar.
Ohne Belüftung führt dieser Druckunterschied zu einer mechanischen Belastung der Dichtungen, Schweißnähte, Klebeverbindungen und manchmal auch des Gehäuses selbst, das sich verformen kann. Mit der Zeit verschlechtert sich die Dichtigkeit, und Wasser findet schließlich einen Weg hinein.
Kondensation, die zweite Folge
Wenn ein warmes Gehäuse abkühlt, zieht sich die Luft zusammen und das Gehäuse neigt dazu, an seinen schwächsten Stellen – oft den Dichtungen – Außenluft anzusaugen. Ist diese Luft feucht, bringt sie Wasserdampf mit, der beim Kontakt mit den kalten Wänden kondensiert, sobald der Taupunkt erreicht ist. Dieses Phänomen ist in der Fahrzeugbeleuchtung gut bekannt, wo es zum Beschlagen der Scheinwerfergläser führt, betrifft aber auch Sensoren, Kameras, Steuergeräte oder die Außenelektronik usw. Die eingeschlossene Feuchtigkeit begünstigt Korrosion, Kurzschlüsse, Abweichungen bei den Sensoren und die Beschädigung von Bauteilen.
Wie funktioniert eine Belüftungsmembran?
Die am häufigsten verwendete Lösung besteht darin, das Gehäuse mit einer Öffnung auszustatten, die durch eine mikroporöse Membran, in der Regel aus ePTFE, geschützt ist. Ihre Poren sind wesentlich größer als die Moleküle von Luft und Wasserdampf, die sie ungehindert passieren können, aber deutlich kleiner als Wassertropfen, die durch die Oberflächenspannung zurückgehalten werden. Die Membran gleicht somit den Druck zwischen Innen- und Außenbereich aus, lässt Wasserdampf entweichen und hält flüssiges Wasser, Staub und Verunreinigungen zurück. Eine oleophobe Beschichtung bei bestimmten Modellen trägt zusätzlich dazu bei, Öle und bestimmte Reinigungsmittel abzuweisen, die andernfalls die Poren verstopfen könnten.
Welche Belüftungslösungen gibt es?
Ein einfaches Loch lässt zwar Luft durch, aber auch Wasser und Staub, und eignet sich daher nur für Anwendungen mit geringen Anforderungen. Umgekehrt erfordert ein vollständig geschlossenes Gehäuse eine überdimensionierte Dichtung und Gehäuseausführung, um Druckschwankungen auszugleichen – was mit höheren Kosten und größerem Platzbedarf verbunden ist, ohne das Risiko der Kondensation auszuschließen.
Die Belüftungsmembran ist der am weitesten verbreitete Kompromiss. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen: selbstklebende Membranen/Entlüftungsöffnungen, die auf die Gehäusewand geklebt werden und minimalen Platzbedarf sowie große Flexibilität bei der Integration bieten; verschraubte oder aufgesteckte Membranen/Entlüftungsöffnungen, die in eine dafür vorgesehene Öffnung montiert werden; sowie geschweißte oder umspritzte Membranen, die in den Fertigungsprozess des Bauteils integriert sind. Die Wahl hängt von der Geometrie des Gehäuses, der Montagegeschwindigkeit und der angestrebten Schutzart ab.
Wie wählt man die richtige Belüftungsmembran aus?
Das erste Kriterium ist der Luftdurchsatz, der bestimmt, wie schnell sich der Druck wieder ausgleicht. Er muss an das Gehäusevolumen und die Geschwindigkeit der Temperaturschwankungen angepasst sein: Ein kleiner Sensor und ein großer Rechner haben nicht dieselben Anforderungen.
Das zweite Kriterium ist die Wasserbeständigkeit, die insbesondere anhand des Wassereindringdrucks gemessen wird, d. h. des Drucks, dem die Membran standhält, bevor Wasser durch sie hindurchdringt. Diese muss der Umgebung entsprechen: Regen, Spritzwasser, vorübergehendes Eintauchen oder Hochdruckreinigung.
Als Nächstes folgt die angestrebte Schutzart. Die IP-Schutzart, definiert durch die Norm IEC 60529, beschreibt den Schutz vor festen Fremdkörpern und Flüssigkeiten, wobei beispielsweise IP67 einer Staubdichtigkeit und Schutz vor vorübergehendem Eintauchen entspricht. Bei Straßenfahrzeugen zielt die Norm ISO 20653 mit der Schutzart IP69K auf die Beständigkeit gegen Hochdruck- und Hochtemperatur-Wasserstrahlen ab. Das Gehäuse entspricht den Anforderungen nur, wenn die Membran, ihre Haftung und ihre Anbringung insgesamt den Anforderungen entsprechen.
Zudem müssen die Temperaturbeständigkeit, die Verträglichkeit mit den auftretenden Medien (Öle, Kraftstoffe, Reinigungsmittel, Salze) sowie die Beschaffenheit des Untergrunds, auf den die Membran geklebt wird – von dem die Qualität der Haftung abhängt –, überprüft werden. Schließlich muss die Größe der Membran mit dem verfügbaren Platz vereinbar sein.
Häufige Fehler
Es treten immer wieder folgende Fehler auf:
– eine unterdimensionierte Membran, die den Druck zu langsam ausgleicht;
– eine unzureichende Oberflächenvorbereitung, die die Haftung beeinträchtigt;
– die Unkenntnis der vorhandenen Medien, die die Membran verschmutzen;
– die Validierung ausschließlich bei Raumtemperatur, obwohl gerade Temperaturzyklen die Mängel aufdecken.
Es wird empfohlen, das mit der Membran ausgestattete Gehäuse unter repräsentativen Bedingungen zu testen: Temperaturzyklen, Feuchtigkeitseinwirkung, Wasserstrahlen.
Ein Beispiel: die GERGOVENT-Produktreihe
Gergonne entwickelt und fertigt selbstklebende ePTFE-Membranen in seiner GERGOVENT-Produktreihe. Die VM16 beispielsweise kombiniert eine zweischichtige ePTFE- und Polyamid-Membran mit der Side-Protect-Technologie, die die Ränder der Membran bei Hochdruckwasserstrahlen schützt – ein kritischer Punkt bei Autoscheinwerfern.
Fazit
Die Belüftung eines wasserdichten Gehäuses bedeutet, ihm das „Atmen“ zu ermöglichen, ohne dass das, was draußen bleiben soll, eindringen kann. Eine richtig ausgewählte und positionierte Belüftungsmembran entlastet die Dichtungen, begrenzt die Kondenswasserbildung und verlängert die Lebensdauer der Komponenten.
Um die für Ihre Anwendung geeignete Lösung zu finden, wenden Sie sich an die Teams von Gergonne: Wir beraten Sie gerne und stellen Ihnen Muster zur Verfügung.