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Trois facteurs à prendre en compte au moment de choisir une solution de ventilation

Par Jake Sanders et Ashley Merrill, Donaldson Integrated Venting Solutions

L’incorporation d’une ventilation adéquate apparaît systématiquement comme une considération de conception critique dans le développement de nouveaux produits et boîtiers. La nécessité d’empêcher les contaminants liquides et solides de pénétrer dans les boîtiers, tout en permettant aux gaz de circuler librement dans ces zones, signifie que la ventilation joue un rôle clé dans le bon fonctionnement des équipements. Les évents de protection de boîtier (EPV) bien conçus protègent les dispositifs sensibles et peuvent également contribuer à prolonger la durée de vie des joints d’étanchéité et des joints utilisés dans les boîtiers.

La détermination correcte des solutions de ventilation dépend généralement de trois facteurs : la protection contre les infiltrations, le débit d’air et la méthode de fixation. Ces trois facteurs sont importants, mais l’un des trois peut prendre plus d’importance que les autres, selon l’application, les conditions d’exploitation et d’autres facteurs. Pour obtenir la meilleure solution de ventilation, il est nécessaire de comprendre clairement chaque facteur et d’utiliser une approche intégrée pour déterminer l’importance relative de chacun. Une solution d’évacuation intégrée (SEI) équilibre ces facteurs pour identifier la solution optimale dans chaque situation.

Indice de protection contre les infiltrations (IP - Ingress Protection)

Lors de l’évaluation des solutions de ventilation, l’un des principaux paramètres à prendre en compte est l’indice de protection contre les infiltrations (IP). Défini par le Standard 60529 de la Commission électrotechnique internationale (CEI), l’indice IP est un nombre à deux chiffres indiquant l’efficacité de l’étanchéité des boîtiers contre l’intrusion de corps étrangers et d’humidité. Le premier chiffre indique le niveau de protection contre les corps étrangers, tels que les pièces mobiles, les débris et la poussière. Le deuxième chiffre indique le niveau de protection contre l’humidité, comme les gouttes, les pulvérisations et les submersions. Plus les chiffres sont élevés, plus les niveaux de protection le sont.

Par exemple, un boîtier qui ne protège que des objets de la taille d’une main humaine et des chutes d’eau verticales aurait un indice IP de 11. Un boîtier offrant une protection complète contre la poussière et les jets d’eau à haute pression et à haute température aurait un indice IP de 69k. Le tableau 1 montre les différents niveaux d’indices IP.

Tableau 1 : Valeurs des indices de protection contre les infiltrations (IP)
IPPremier chiffre (infiltration d’objets solides)Deuxième chiffre (protection contre l’humidité)
0Aucune protectionAucune protection
1Objets de plus de 50 mm (p. ex., mains, gros outils)Chutes verticales de gouttes d’eau ou condensation
2Objets de plus de 12,5 mm (p. ex., doigts, petits outils)Chutes de gouttes d’eau, si le boîtier est incliné de 15 degrés par rapport à la verticale
3Objets de plus de 2,5 mm (p. ex., câble)Pulvérisations d’eau émanant de n’importe quelle direction, même si le boîtier est incliné jusqu’à 60 degrés par rapport à la verticale
4Objets de plus de 1 mm (p. ex., câbles fins)Éclaboussures d’eau émanant de n’importe quelle direction
5Protection limitée contre la pénétration de la poussière (pas de dépôt nuisible)Jets d’eau à basse pression émanant de n’importe quelle direction ; pénétration limitée autorisée
6Protection totale contre la pénétration de la poussièreJets d’eau à haute pression émanant de n’importe quelle direction ; pénétration limitée permise
7S/OCourtes périodes d’immersion dans l’eau
8S/OLongues périodes d’immersion durable dans l’eau
9kS/OPulvérisations à courte portée, haute pression et haute température

Les indices IP fournissent un outil utile pour adapter les caractéristiques de ventilation aux besoins du produit. Par exemple, le système d’éclairage automobile illustré à la figure 1 pourrait être exposé à la poussière et à l’humidité, mais pas nécessairement à une immersion dans l’eau, et mériterait un IP de 55 ou 66. Un appareil électronique grand public peu susceptible d’être exposé à la poussière et à l’eau mériterait un IP de 44. Si un appareil électronique a été conçu pour résister à une exposition accrue à la poussière et à une immersion possible dans l’eau, l’indice IP pourrait atteindre 67 ou 68.

Figure 1 : Les produits tels que les systèmes d’éclairage automobile et les téléphones portables nécessitent une protection adéquate contre les infiltrations.

Différentes combinaisons IP peuvent être établies en fonction des conditions d’exploitation et des facteurs de coût. Diverses applications, notamment dans les domaines de l’automobile, du médical, de l’emballage et des appareils électroniques grand public, présentent des environnements uniques qui doivent être pris en compte dans les exigences IP. En outre, un IP élevé ne fournit pas toujours la meilleure solution : une protection de l’eau plus élevée peut compromettre le débit d’air.

Exigences pour le débit d’air

Outre l’indice IP, les exigences pour le débit d’air sont essentielles dans le processus de sélection des évents. Les évents sont généralement conçus pour égaliser la pression à l’intérieur et à l’extérieur du boîtier. Un débit d’air plus important permet une égalisation plus rapide et des différences de pression maximale plus faibles. Au fur et à mesure que la pression augmente dans un système, le point le plus faible sera détecté, de sorte qu’un évent correctement conçu élimine la pression sur les composants sensibles et maintient un débit d’air correct. Les dispositifs tels que les capteurs dans les automobiles dépendent fortement des systèmes de ventilation pour égaliser la pression et assurer un fonctionnement correct.

Les facteurs à prendre en compte au moment de déterminer les exigences pour le débit d’air incluent le temps total d’évacuation d’un boîtier et les pressions de service à l’intérieur du boîtier. Une ventilation adéquate permet de minimiser les différences de pression à l’intérieur et à l’extérieur du boîtier, avec des évents à débit d’air supérieur réduisant le temps d’évacuation et les différences de pression auxquels fait face un système.

Figure 2 : Une ventilation adéquate équilibre le débit d’air et la protection contre les infiltrations.

Le taux de variation de pression doit également être pris en compte. Les variations de pression sont souvent provoquées par des variations de température à l’intérieur du boîtier dues aux variations de la température ambiante, aux rayons du soleil, à la chaleur générée par les appareils électroniques ou à l’exposition à l’humidité. Dans certaines applications, la pression peut être modifiée directement par la compression du boîtier, les changements d’altitude, l’immersion, les réactions chimiques dans le boîtier et d’autres facteurs. Au fur et à mesure que le taux de variation de la pression augmente, un débit d’air supérieur doit être fourni. Un débit d’air supérieur peut également offrir d’autres avantages, tels que l’amélioration du temps de réponse des capteurs électroniques à l’intérieur des boîtiers.

Bien que les exigences pour le débit d’air puissent être critiques, elles doivent être équilibrées avec la protection contre les infiltrations. Lorsque la protection contre les infiltrations est améliorée, le débit d’air peut être compromis et vice versa. Les solutions de ventilation appropriées trouvent l’équilibre idéal d’optimisation entre le débit d’air et la protection contre l’humidité, comme illustré à la figure 2.

La figure 3 indique comment les tailles des filtres et les médias affectent la réponse à la pression. Deux évents de tailles différentes, chacun placé sur un boîtier subissant une variation de température exponentielle de 20 degrés, présentent une différence de pression différente au fil du temps. En général, les médias à plus haute perméabilité fournissent un plus grand débit d’air et une différence de pression plus faible. 

Figure 3 : Les filtres à haute perméabilité offrent un plus grand débit d’air et des différences de pression plus faibles.
Méthode de fixation

Un autre facteur critique à prendre en compte avec la ventilation est la méthode de fixation. Même avec un indice IP et des spécifications de débit d’air appropriées, si la ventilation n’est pas correctement fixée, l’efficacité de la ventilation peut être compromise. Les options les plus courantes de fixation d’évents de protection des boîtiers sont : le vissage, l’encliquetage, l’insertion et le soudage (en utilisant soit la chaleur, soit les ultrasons). Un aperçu de ces options est illustré à la figure 4.

Évents à vis

Encliquetage

Évents à insérer

Figure 4 : Notre gamme d’options de fixation de ventilation. Le soudage et d’autres méthodes sont également disponibles.

Chaque méthode de fixation présente ses avantages dans certaines situations. Les EPV filetés peuvent souvent être intégrés dans des équipements existants, tels que des boîtiers de protection, des boîtiers d’éclairage, des appareils et d’autres boîtiers où une ventilation de protection est requise et où la protection de l’évent est nécessaire.

Les EPV à encliqueter peuvent également être intégrés à l’équipement existant et sont utiles lorsqu’un assemblage rapide est requis. Certains EPV à insérer, souvent utilisés dans les composants électroniques où l’espace est limité, consistent en une membrane de filtration et un anneau adhésif sensible à la pression pour fixer le filtre à l’appareil.

Figure 5 : L’évent à souder incorpore le matériau de ventilation directement dans le boîtier.

Dans certains cas, un évent de protection de boîtier à souder peut être incorporé directement dans un boîtier au sein d’un ensemble évent, comme illustré à la figure 5. Cette approche est souvent utilisée avec les appareils où les adhésifs ne sont pas appropriés, où il existe des incompatibilités chimiques ou des températures extrêmes, ou lorsqu’une protection physique du trajet de filtrage est nécessaire. Cette approche peut également simplifier l’assemblage dans l’appareil. Le soudage combiné au moulage par injection par insertion à chaud est souvent utilisé pour fixer les matériaux de ventilation dans ces situations.  

Les facteurs à prendre en compte au moment d’évaluer les méthodes de fixation comprennent la composition du matériau auquel l’évent est attaché, la compatibilité chimique, les conditions d’exploitation telles que la température et la pression et les conditions d’assemblage. Quelle que soit la méthode de fixation, une approche intégrée constitue souvent la solution la plus efficace. Si un fournisseur d’évents peut fournir une solution de ventilation intégrée, plutôt qu’un évent distinct devant être installé séparément, les concepteurs et les fabricants peuvent se concentrer sur les besoins de leur produit et non sur la méthode de fixation. Les avantages en termes de coûts et d’efficacité à long terme se font ressentir si les évents sont correctement fixés et restent en service plus longtemps.

Assemblage complet

Au moment d’évaluer les trois facteurs clés de la ventilation, les concepteurs de produits et les fabricants doivent prendre en compte tous les facteurs et identifier ceux qui sont les plus importants dans des situations particulières. Il se peut que l’indice IP, le débit d’air et la méthode de fixation jouent tous un rôle, avec un ou plusieurs facteurs plus importants dans certaines situations.

Les matériaux et les caractéristiques de filtration peuvent également faire partie de l’équation. Les caractéristiques spécifiques peuvent inclure :

  • Oléophobe – repousse l’huile
  • Hydrophobe – repousse l’eau
  • Haute efficacité – efficace pour éliminer les particules du flux d’air
  • Ultra propre – maintient les boîtiers propres
  • Options absorbantes – contrôlent les odeurs, les composés organiques volatils, les vapeurs et les gaz

Avec les différents facteurs à prendre en compte, une approche intégrée est la clé du choix réussi d’une solution de ventilation. La ventilation n’est pas un processus unique pour tous et les facteurs peuvent jouer différents rôles sur différents projets. Plus tôt le processus de sélection peut être entrepris dans la conception du système et les facteurs clés évalués, plus les options disponibles seront nombreuses et plus les chances de succès seront grandes. 

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Jake Sanders est le directeur du développement de produits pour l’équipe Integrated Venting Solutions de Donaldson Company. Sanders est titulaire d’un BSME (Licence en génie mécanique) de l’Université du Minnesota et d’un MBA de l’Université de St Thomas. Il travaille pour le groupe Integrated Venting Solutions de Donaldson depuis 12 ans, pour les marchés de la ventilation et de la filtration automobile, de l’électronique mobile, médicale, des capteurs, des disques durs et des semi-conducteurs.

Ashley Merrill est cheffe de produit marketing mondial pour l’équipe Integrated Venting Solutions de Donaldson Company. Elle est titulaire d’un BSBA (Licence en gestion d’entreprise) de l’Université de Drake et d’un MBA de l’Université de l’Iowa. Ashley possède 14 ans d’expérience dans les secteurs des véhicules lourds, de l’automobile et de la chimie.

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