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Tre fattori da considerare quando si specifica una soluzione di ventilazione

Di Jake Sanders e Ashley Merrill, Integrated Venting Solutions di Donaldson

L'incorporazione di una ventilazione adeguata emerge costantemente come una considerazione fondamentale di progettazione nello sviluppo di prodotti e involucri nuovi. La necessità di impedire a contaminanti liquidi e solidi di entrare negli involucri, pur consentendo ai gas di passare liberamente attraverso queste aree, significa che lo sfiato svolge un ruolo chiave nel corretto funzionamento dell'apparecchiatura. Gli sfiati di protezione degli involucri (EPV) ben progettati proteggono i dispositivi sensibili e possono anche aiutare a prolungare la vita delle guarnizioni e delle tenute utilizzate negli involucri.

La specifica corretta delle soluzioni di ventilazione dipende generalmente da tre fattori: protezione di ingresso, flusso d'aria, e metodo di collegamento. Tutti e tre sono importanti, ma uno qualsiasi dei tre può diventare più importante a seconda di applicazione, condizioni di funzionamento e altri fattori. Per arrivare alla migliore soluzione di ventilazione, è necessaria una chiara comprensione di ciascun fattore, insieme a un approccio integrato per determinare l'importanza relativa di ognuno. Una soluzione di ventilazione integrata (IVS) equilibra questi fattori per identificare la soluzione ottimale per ogni situazione.

Grado di protezione dall'ingresso (IP)

Nella valutazione delle soluzioni di ventilazione, uno dei parametri chiave da considerare è il grado di protezione dall'ingresso (IP). Definito dalla norma 60529 della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), il grado IP è un numero a due cifre che indica l'efficacia della sigillatura degli involucri contro le penetrazioni di corpi estranei e umidità. Il primo numero indica la protezione da corpi estranei, come parti in movimento, detriti e polvere. Il secondo numero indica il livello di protezione dall'umidità, come sgocciolamenti, spray e immersioni. Numeri più alti indicano livelli più alti di protezione.

Ad esempio, un involucro che fornisce solo protezione dagli oggetti delle dimensioni di una mano umana e dall'acqua che cade verticalmente avrebbe un grado IP di 11. Un involucro che fornisce una protezione completa dalla polvere e dagli spruzzi d'acqua ad alta temperatura e ad alta pressione avrebbe un grado IP di 69k. La Tabella 1 mostra i vari livelli di grado IP.

Tabella 1: Valori del grado di protezione dall'ingresso (IP)
IPPrima cifra (ingresso di oggetti solidi)Seconda cifra (protezione dall'umidità)
0Nessuna protezioneNessuna protezione
1Oggetti oltre 50 mm (ad es. mani, utensili di grandi dimensioni)Gocce d'acqua o condensa che cadono verticalmente
2Oggetti oltre 12,5 mm (ad es. dita, utensili di dimensioni più piccole)Gocce d'acqua che cadono, se la custodia è inclinata fino a 15 gradi dalla verticale
3Oggetti oltre 2,5 mm (ad es. filo)Spruzzi d'acqua da qualsiasi direzione, anche se la custodia è inclinata fino a 60 gradi dalla verticale
4Oggetti oltre 1 mm (ad es. fili sottili)Spruzzi d'acqua da qualsiasi direzione
5Protezione limitata contro l'ingresso di polvere (nessun deposito dannoso)Getti d'acqua a bassa pressione da qualsiasi direzione; ingresso limitato consentito
6Totalmente protetto contro l'ingresso di polvereGetti d'acqua ad alta pressione da qualsiasi direzione; ingresso limitato consentito
7N/DBrevi periodi di immersione in acqua
8N/DLunghi e duraturi periodi di immersione in acqua
9kN/DNebulizzazioni a corto raggio, ad alta pressione e ad alta temperatura

I gradi IP forniscono uno strumento utile per abbinare le caratteristiche di ventilazione alle esigenze del prodotto. Per esempio, il sistema di illuminazione automobilistica mostrato in Figura 1 potrebbe essere esposto sia alla polvere sia all'umidità, ma non necessariamente all'immersione in acqua, e merita un IP di 55 o 66. Un dispositivo di elettronica di consumo che probabilmente non è esposto a polvere e acqua potrebbe meritare un IP di 44. Se un dispositivo elettronico fosse destinato a resistere a una maggiore esposizione alla polvere e a possibile immersione in acqua, il grado IP potrebbe essere elevato a 67 o 68.

Figura 1: I prodotti che vanno dai sistemi di illuminazione automobilistica ai telefoni cellulari richiedono un'adeguata protezione dall'ingresso.

Si possono realizzare diverse combinazioni IP, in base alle condizioni di funzionamento e ai fattori di costo. Diverse applicazioni come elettronica automobilistica, medica, di imballaggio e di consumo presentano ambienti unici che devono essere considerati nei requisiti IP. Inoltre, un IP più elevato non fornisce sempre la soluzione migliore; una maggiore protezione dall'acqua può compromettere il flusso d'aria.

Requisiti del flusso d'aria

Insieme alla classificazione IP, i requisiti del flusso d'aria sono fondamentali nel processo di selezione dello sfiato. Gli sfiati sono tipicamente progettati per uniformare la pressione all'interno e all'esterno di un involucro. Un flusso d'aria più elevato consente uniformazione più rapida e minori scarti di pressione massima. Man mano che la pressione aumenta in un sistema, si trova il punto più debole, per cui uno sfiato progettato correttamente toglie la pressione ai componenti sensibili e mantiene un flusso d'aria adeguato. Dispositivi come i sensori delle automobili fanno molto affidamento sui sistemi di sfiato al fine di uniformare la pressione per un corretto funzionamento.

I fattori da considerare nel determinare i requisiti del flusso d'aria includono il tempo totale di evacuazione di un involucro e le pressioni di funzionamento all'interno dell'involucro. Una ventilazione adeguata aiuta a ridurre al minimo gli scarti di pressione all'interno e all'esterno di un involucro, con sfiati per flusso d'aria più elevato che riducono i tempi di evacuazione e gli scarti di pressione che si verificano in un sistema.

Figura 2: Uno sfiato adeguato bilancia il flusso d'aria e la protezione dall'ingresso.

Si deve considerare anche il tasso di variazione della pressione. Le variazioni di pressione sono spesso determinate da variazioni di temperatura all'interno dell'involucro dovute a variazioni di temperatura ambiente, luce del sole, calore generato dall'elettronica o esposizione all'umidità. In alcune applicazioni, la pressione può essere modificata direttamente da compressione dell'involucro, variazione dell'altezza, immersione, reazioni chimiche all'interno dell'involucro e altri fattori. All'aumentare del tasso di variazione della pressione, dovrebbe essere fornito un flusso d'aria più elevato. Un flusso d'aria più elevato può anche offrire altri vantaggi, come il miglioramento dei tempi di risposta dei sensori elettronici all'interno degli involucri.

Sebbene i requisiti del flusso d'aria possano essere fondamentali, devono essere bilanciati con la protezione dall'ingresso. Man mano che la protezione dall'ingresso aumenta, il flusso d'aria può essere compromesso e viceversa. Soluzioni di ventilazione adeguate trovano il "punto debole" del flusso d'aria ottimizzato e della protezione dall'umidità, come illustrato schematicamente in Figura 2.

La Figura 3 mostra come le dimensioni del filtro e i media filtranti influenzano la risposta alla pressione. Due diversi sfiati di due diverse dimensioni, ciascuno posizionato su un involucro che subisce una variazione esponenziale di temperatura di 20 gradi, presentano uno scarto di pressione diverso nel tempo. In generale, i media filtranti con una maggiore permeabilità forniscono un flusso d'aria maggiore e uno scarto di pressione minore. 

Figura 3: I filtri ad alta permeabilità forniscono un flusso d'aria maggiore e scarti di pressione minori.
Metodo di collegamento

Un altro fattore fondamentale da considerare nello sfiato è il metodo di collegamento. Anche con un grado IP adeguato e specifiche per flusso d'aria, se lo sfiato non è collegato correttamente, l'efficacia della ventilazione può essere compromessa. Le opzioni comuni di collegamento dello sfiato di protezione dell'involucro includono: Vite, scatto, pressione o saldatura (utilizzando tecniche a caldo o a ultrasuoni). Un esempio di queste opzioni è mostrato in Figura 4.

A vite

A scatto

A pressione

Figura 4: La nostra gamma di opzioni di collegamenti per sfiati. Sono disponibili metodi a saldatura e altri metodi.

Ogni metodo di collegamento ha i suoi pregi in determinate situazioni. Gli EPV filettati possono spesso essere integrati in apparecchiature esistenti come custodie protettive, involucri di illuminazione, elettrodomestici e altri involucri in cui è richiesto lo sfiato di protezione ed è necessaria la protezione dello sfiato.

Gli EPV a pressione possono anche essere integrati in apparecchiature esistenti e sono utili quando è richiesto un assemblaggio rapido. Alcuni EPV a pressione, sono spesso utilizzati in dispositivi elettronici in cui lo spazio è limitato, sono costituiti da una membrana di filtrazione e da un anello adesivo sensibile alla pressione per fissare il filtro al dispositivo.

Figura 5: La ventilazione a saldatura incorpora il materiale di ventilazione direttamente nell'involucro.

In alcuni casi, gli sfiati di protezione dell'involucro saldati possono essere incorporati direttamente in un involucro in un assieme di sfiato, come mostrato in Figura 5. Questo approccio è spesso utilizzato in dispositivi in cui gli adesivi non sono adeguati, in cui sono presenti incompatibilità chimiche o temperature estreme o è necessaria la protezione fisica del percorso del filtro. Questo approccio può anche semplificare l'assemblaggio nel dispositivo. La saldatura combinata con stampaggio a iniezione ad adesione diretta è spesso utilizzata per fissare i materiali di sfiato in queste situazioni.  

I fattori da considerare nella valutazione dei metodi di collegamento includono composizione del materiale a cui è fissato lo sfiato, compatibilità chimica, condizioni di funzionamento come temperatura e pressione e condizioni di assemblaggio. Indipendentemente dal metodo di collegamento, un approccio integrato spesso fornisce la soluzione più efficiente. Se un fornitore di sfiati può fornire una soluzione di ventilazione integrata, anziché uno sfiato discreto che deve essere installato separatamente, i progettisti e i produttori possono concentrarsi sulle esigenze del proprio prodotto e non sul metodo di collegamento. È possibile realizzare vantaggi in termini di costo ed efficienza a lungo termine, se gli sfiati sono correttamente collegati e rimangono operativi più a lungo.

Combinare tutto

Nel valutare i tre fattori chiave della ventilazione, i progettisti e i produttori devono considerare tutti i fattori e identificare quali sono i più importanti per le situazioni particolari. Grado IP, flusso d'aria e metodo di collegamento possono svolgere tutti un ruolo, con uno o più fattori che in certe situazioni hanno un peso maggiore.

I materiali e le caratteristiche di filtrazione possono altresì figurare nell'equazione. Caratteristiche specializzate possono includere:

  • Oleorepellente: respinge l'olio
  • Idrofobo: respinge l'acqua
  • Alta efficienza: efficace nella rimozione del particolato dal flusso d'aria
  • Ultra-pulito: mantiene la pulizia negli involucri
  • Opzioni adsorbenti: controllo di odori, sostanze organiche volatili, vapori e gas

Con i vari fattori da considerare, un approccio integrato è la chiave per una specifica di successo di una soluzione di ventilazione. La ventilazione non è un processo a taglia unica e tutti i fattori possono svolgere ruoli diversi su progetti diversi. Innanzitutto può essere intrapreso il processo di selezione nella progettazione del sistema e possono essere valutati i fattori chiave, più opzioni saranno disponibili e maggiore sarà la probabilità di successo. 

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Jake Sanders è il responsabile dello sviluppo del prodotto per il team Integrated Venting Solutions presso Donaldson Company. Sanders ha conseguito un BSME presso la University of Minnesota e un MBA presso la University of St. Thomas. Ha lavorato nel gruppo Integrated Venting Solutions per 12 anni, servendo i mercati automobilistico, dell'elettronica mobile, medico, dei sensori, dei dischi rigidi, della filtrazione e della ventilazione dei semiconduttori.

Ashley Merrill è responsabile del marketing del prodotto globale per il team Integrated Venting Solutions in Donaldson Company. Ha conseguito un BSBA presso la Drake University e un MBA presso la University of Iowa. La carriera di Ashley comprende 14 anni di esperienza nel settore dei veicoli per impieghi pesanti, automobilistico e chimico.

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