Por Jake Sanders e Ashley Merrill, Donaldson Integrated Venting Solutions
A incorporação da ventilação adequada emerge consistentemente como uma consideração crítica de projeto no desenvolvimento de novos produtos e invólucros. A necessidade de impedir a entrada de contaminantes líquidos e sólidos nos compartimentos, ao mesmo tempo em que permite que os gases passem livremente por essas áreas, significa que a ventilação desempenha um papel fundamental no funcionamento adequado do equipamento. As excelentes ventilações de proteção de invólucro (EPVs) protegem dispositivos sensíveis e também podem ajudar a prolongar a vida útil das gaxetas e vedações usadas nos invólucros.
Em geral, a especificação adequada das soluções de ventilação depende de três fatores: proteção contra entrada, fluxo de ar e método de fixação. Todos os três são fundamentais, mas qualquer um deles pode se tornar ainda mais importante, o que vai depender da aplicação, condições operacionais e outros fatores. Para se chegar à melhor solução de ventilação, é necessária uma compreensão clara de cada fator necessário, juntamente com uma abordagem integrada para determinar a importância relativa de cada um. Uma solução de ventilação integrada (IVS) equilibra estes fatores para identificar a solução ideal para cada situação.
Classificação de proteção contra entrada (IP)
Ao avaliar as soluções de ventilação, um dos principais parâmetros a ser considerado é a classificação de proteção contra entrada (IP). Definida pela norma 60529 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), a classificação de IP refere-se a um número de dois dígitos que indica a eficácia da vedação de invólucros contra a penetração de corpos estranhos e umidade. O primeiro número indica proteção contra corpos estranhos, tais como partes móveis, detritos e poeira, enquanto que o segundo número indica o nível de proteção contra umidade, como gotejamentos, sprays e submersões. Números mais altos indicam níveis mais altos de proteção.
Por exemplo, um compartimento que fornece apenas proteção contra objetos do tamanho de uma mão humana e água em queda vertical teria uma classificação de IP de 11. Um compartimento que oferece proteção total contra poeira e sprays de água a alta temperatura e alta pressão teria uma classificação IP de 69k. A Tabela 1 mostra os vários níveis de classificação de IP.
Tabela 1: Valores de classificação de proteção contra entrada (IP)
| IP | Primeiro dígito (entrada de objetos sólidos) | Segundo dígito (proteção contra umidade) |
|---|---|---|
| 0 | Sem proteção | Sem proteção |
| 1 | Objetos com mais de 50 mm (por exemplo, mãos, ferramentas grandes) | Gotas de água ou condensação que caem verticalmente |
| 2 | Objetos acima de 12,5 mm (por exemplo, dedos, ferramentas menores) | Gotejamento de água, se a caixa estiver inclinada até 15 graus da vertical |
| 3 | Objetos acima de 2,5 mm (por exemplo, fio) | Sprays de água de qualquer direção, mesmo que a caixa esteja inclinada até 60 graus da vertical |
| 4 | Objetos com mais de 1 mm (por exemplo, fios finos) | Respingo d’água de qualquer direção |
| 5 | Proteção limitada contra a entrada de poeira (sem sedimento prejudicial) | Jatos d’água de baixa pressão de qualquer direção; entrada limitada permitida |
| 6 | Totalmente protegido contra a entrada de poeira | Jatos d’água de alta pressão de qualquer direção; entrada limitada permitida |
| 7 | N/A | Curtos períodos de imersão na água |
| 8 | N/A | Períodos longos e duradouros de imersão na água |
| 9k | N/A | Spray de alcance próximo, alta pressão e alta temperatura |
As classificações de IP proporcionam uma ferramenta útil para combinar as características de ventilação com as necessidades do produto. Por exemplo, o sistema de iluminação automotiva mostrado na Figura 1 pode estar exposto tanto a poeira quanto a umidade, mas não necessariamente a submersão na água, e deve obter um IP de 55 ou 66. Um dispositivo eletrônico de consumo pouco exposto a pó e água pode obter um IP de 44. Se um dispositivo eletrônico fosse destinado a suportar mais exposição à poeira e possível submersão na água, a classificação de IP poderia ser elevada para 67 ou 68.
Várias combinações de IP podem ser feitas com base nas condições operacionais e fatores de custo. Diversas aplicações, como automotiva, médica, de embalagem e eletrônica de consumo, apresentam ambientes únicos que devem ser considerados nos requisitos de IP. Além disso, uma IP maior nem sempre oferece a melhor solução; uma maior proteção contra a água pode comprometer o fluxo de ar.
Requisitos de fluxo de ar
Juntamente com a classificação de IP, os requisitos de fluxo de ar são essenciais no processo de seleção de ventilação. As ventilações normalmente são projetadas para equalizar a pressão dentro e fora de um compartimento. Quanto maior o fluxo de ar, mais rápida é a equalização e menores os diferenciais de pressão máxima. À medida que a pressão se acumula em um sistema, o ponto mais fraco será identificado, de modo que uma ventilação projetada adequadamente retira a pressão dos componentes sensíveis e mantém um fluxo de ar adequado. Dispositivos como sensores em automóveis são extremamente dependentes de sistemas de ventilação para equalizar a pressão e, assim, garantir uma operação adequada.
Fatores a serem considerados ao determinar as necessidades de fluxo de ar incluem o tempo total para evacuar um invólucro e as pressões operacionais dentro deste. A ventilação adequada ajuda a minimizar os diferenciais de pressão dentro e fora de um invólucro com ventilações de fluxo de ar maiores, reduzindo, dessa forma, o tempo de evacuação e os diferenciais de pressão experimentados por um sistema.
A taxa de mudança de pressão também deve ser considerada. As mudanças de pressão são frequentemente impulsionadas por mudanças na temperatura dentro do invólucro devido a mudanças na temperatura ambiente, luz solar, calor gerado pela parte eletrônica ou exposição à umidade. Em algumas aplicações, a pressão pode ser alterada diretamente pela compressão do invólucro, mudança de altitude, submersão, reações químicas dentro do invólucro e outros fatores. Conforme a taxa de mudança de pressão aumenta, deve ser fornecido um maior fluxo de ar. Um maior fluxo de ar também pode proporcionar outros benefícios, como a melhoria do tempo de resposta dos sensores eletrônicos dentro dos invólucros.
Embora os requisitos de fluxo de ar possam ser fundamentais, eles precisam ser equilibrados com a proteção contra entrada. Conforme esta aumenta, o fluxo de ar pode ser comprometido, e vice-versa. Soluções de ventilação adequadas encontram o “ponto estratégico” de fluxo de ar e proteção contra umidade otimizados, conforme ilustrado esquematicamente na Figura 2.
A Figura 3 mostra como os tamanhos dos filtros e os elementos filtrantes afetam a resposta à pressão. Duas ventilações diferentes de dois tamanhos diferentes, cada uma posicionada em um invólucro que passa por uma exponencial mudança de temperatura de 20 graus, apresentam um diferencial de pressão diferente ao longo do tempo. Geralmente, os elementos filtrantes com maior permeabilidade proporcionam maior fluxo de ar e menor diferencial de pressão.
Método de fixação
Outro fator crítico a ser considerado na ventilação é o método de fixação. Mesmo com classificação de IP e especificação de fluxo de ar apropriadas, se a ventilação não estiver devidamente acoplada, a eficácia da ventilação pode ser comprometida. As opções comuns de fixação da ventilação de proteção de invólucro são: Parafusada, encaixe rápido, encaixe por pressão e soldável (com técnicas ultrassônicas ou de calor). Uma amostra destas opções é mostrada na Figura 4.
Parafusada
Encaixe rápido
Encaixe por pressão
Cada método de fixação tem seus méritos em determinadas situações. As EPVs parafusadas frequentemente podem ser integradas nos equipamentos existentes, como caixas protetoras, invólucros de iluminação, aparelhos e outros invólucros nos quais a ventilação protetora e a proteção da ventilação são necessárias.
As EPVs de encaixe rápido também podem ser integradas em equipamentos existentes e são úteis quando a montagem rápida é necessária. Algumas EPVs de encaixe por pressão, frequentemente utilizadas em dispositivos eletrônicos nos quais o espaço é limitado, consistem de uma membrana de filtragem e um anel adesivo sensível à pressão para fixar o filtro ao dispositivo.
Em alguns casos, as ventilações de proteção de invólucro soldáveis podem ser incorporadas diretamente em um invólucro em um conjunto de ventilação, como mostrado na Figura 5. Esta abordagem é muitas vezes utilizada em dispositivos nos quais os adesivos não são adequados, há incompatibilidades químicas ou temperaturas extremas, ou nos quais é necessária a proteção física do caminho do filtro. Esta abordagem também pode simplificar a montagem dentro do dispositivo. A soldável em combinação com a moldagem por injeção de colagem direta é muito usada na fixação de materiais de ventilação nessas situações.
Os fatores a serem considerados ao avaliar os métodos de fixação incluem a composição do material ao qual a ventilação será fixada, compatibilidade química, condições operacionais, como temperatura e pressão, e condições de montagem. Independentemente do método de fixação, uma abordagem integrada fornece, muitas vezes, a solução mais eficiente. Quando um fornecedor de ventilação é capaz oferecer uma solução de ventilação integrada, ao invés de uma ventilação separada que precisa ser instalada separadamente, os designers e fabricantes podem se concentrar nas necessidades do seu produto e não no método de fixação. Os benefícios de custo e eficiência no longo prazo podem ser concretizados se as ventilações estiverem devidamente fixadas e permanecerem em operação por mais tempo.
Tudo em uma só solução
Ao avaliar os três fatores-chave da ventilação, os designers e fabricantes de produtos precisam considerar todos os fatores e identificar quais são os mais importantes para situações específicas. A classificação de IP, o fluxo de ar e o método de fixação podem todos ter relevância, com um ou mais fatores apresentando peso maior em determinadas situações.
Os materiais e as características de filtragem também podem aparecer na equação. Algumas possíveis características específicas são:
- Oleofóbica – repele óleo
- Hidrofóbica – repele água
- Alta eficiência – eficaz na remoção de partículas da corrente de ar
- Ultralimpeza – mantém os compartimentos limpos
- Opções adsorventes – controle de odor, compostos orgânicos voláteis, vapores e gases
Com os vários fatores que devem ser considerados, uma abordagem integrada é a chave para a especificação bem-sucedida de uma solução de ventilação. A ventilação não é um processo único para todos os casos, e os fatores podem ter relevâncias diferentes em projetos diferentes. Quanto mais cedo o processo de seleção puder ser realizado no projeto do sistema e os fatores-chave avaliados, mais opções estarão disponíveis e maior a probabilidade de sucesso.
Ashley Merrill é Gerente global de marketing de produto da equipe de Integrated Venting Solutions da Donaldson Company. Ela é Bacharel em Administração de Empresas (BSBA) pela Drake University, além de possuir um MBA pela University of Iowa. A carreira de Merrill inclui 14 anos de experiência nas indústrias de veículos pesados, automotiva e química.
