Druckausgleichslösungen

Druckausgleichselemente und -verschraubungen zur Vermeidung von Kondenswasser in elektronischen und elektrotechnischen Bauteilen.

Druckausgleichselemente (DAE) & Entwässerungsstutzen (EWS)

Portfolio DAE+EWS/Vielfalt

Kondenswasser bildet sich in Gehäusen aufgrund von Temperatur- und Druckschwankungen, verursacht durch Umwelt, Klima und den eigentlichen Betrieb des Systems. Überschüssige Luftfeuchtigkeit schlägt sich an den kältesten Stellen im Gehäuse als Kondenswasser nieder. Druckausgleichselemente (DAE) und Entwässerungsstutzen verhindern zuverlässig die Entstehung bzw. die Ansammlung von Kondenswasser. Wartungs- und Reparaturkosten elektronischer und elektrotechnischer Bauteile werden auf diese Weise deutlich reduziert. Neben einem umfangreichen Sortiment an Druckausgleichselementen aus Kunststoff und Edelstahl, verbunden mit wichtigen Zulassungen - unter anderem bezogen auf die UV-Beständigkeit oder die Möglichkeit des Einsatzes in explosionsgefährdeten Bereichen - bietet RST ein breitgefächertes Portfolio an anwendungsspezifischen Lösungen.

Von…

a. Mini-Ausführungen in M8x1,0 oder M6x0,75, die in Zeiten immer kleiner werdender elektronischer und elektrotechnischer Bauteile eine zunehmend wichtigere Rolle einnehmen,

b. über Kabelverschraubungen mit integrierter Druckausgleichsfunktion, welche die Eigenschaften herkömmlicher Kabelverschraubungen mit denen eines Druckausgleichselementes in einem Produkt vereinen,

c. bis hin zu unseren neuen Sicherheits-Druckausgleichselementen, die in erster Linie für den Druckausgleich sorgen, im Notfall aber auch als Überdruckventil fungieren (Einsatz hauptsächlich im Bereich der Li-Ionen-Batterietechnik),

…wir haben für nahezu jede Herausforderung die passende Lösung parat. Und sollte sich die Entstehung von Kondenswasser tatsächlich einmal nicht vermeiden lassen, so sorgen verschiedenste Ausführungen von Entwässerungsstutzen für Abhilfe.

Grundsätzliche Überlegungen zu Druckausgleichselementen (DAEs)

Wenn über „Entlüftungsstutzen“ oder „Entlüftungsverschraubung“ gesprochen wird, sollte korrekterweise der Begriff „Druckausgleichselement (DAE)“ verwendet werden. Ein DAE sorgt dafür, dass der Druckunterschied zwischen Gehäuseinnerem und der umgebenden Atmosphäre ausgeglichen wird. Der Differenzdruck innen/außen ist somit ΔP = 0.

Folgende Funktionen erfüllt ein DAE zunächst einmal nicht:

1)      Permanente Luftzirkulation in das Gehäuse
2)      Kühlung
3)      Entfeuchtung der eingeschlossenen Luft

 
Die maximale Temperatur in einem Gehäuse ist abhängig von:

a)       Den Umgebungsbedingungen
b)      Der Verlustleistung der (elektronischen) Komponenten im Gehäuse
c)       Der Gehäusekonstruktion
d)      Der Art der Kühlung/Kältebrücken

Ein DAE gleicht somit „nur“ die Umgebungsbedingungen außen mit der Innenatmosphäre im Gehäuse aus, unter Berücksichtigung der Parameter „umgebende Atmosphäre“, „Energieverlust im Gehäuse“ und dessen „Konstruktionsmerkmalen“. Ein DAE dient nicht dazu, die Temperatur im Gehäuse zu reduzieren; dies kann nur durch entsprechende, aktive Komponenten realisiert werden.

Warum sollte man ein DAE verwenden?

Durch die Ausbalancierung von Innen- und Außendruck wird vermieden, dass Dichtungen, Durchführungen und Bedienelemente am Gehäuse durch ansonsten entstehenden Überdruck gestresst werden und damit deren Lebensdauer reduziert wird. Weiterhin wird trotz Luftaustausch eine hohe Schutzart von IP 67 und IP 69 erreicht. Nicht zuletzt verhindert der kontinuierliche Druckausgleich über eine Membran Kondenswasser und Korrosion innerhalb des Gehäuses.

 

Wie sollte ein DAE verwendet werden?

Zwei Parameter bestimmen die Funktionalität eines DAE:

  • die Permeabilität (Air Flow Rate, AFR)
  • der Wassereintrittsdruck (Water Intrusion Pressure, WIP)

Beide Parameter sind für einen gegebenen Membrantyp voneinander abhängig und werden weiterhin durch das Design des DAE beeinflusst. Ein DAE sollte eine hohe Permeabilität aufweisen und zusätzlich einen möglichst hohen Wassereintrittsdruck gewährleisten. Normalerweise wird die Permeabilität eines DAE bei ΔP=70mbar (hPa) angegeben. Somit sind unterschiedliche DAE miteinander vergleichbar. 70 mbar entsprechen der US-Einheit 1 PSI (= pounds per square inch), 1 hPa entspricht 100 N/m2, 70 mbar somit 7.000 N/m2.

Bei gleichem Membrantyp und gleicher aktiver Fläche bedeutet eine Erhöhung der Permeabilität eine Verringerung des Wassereintrittsdrucks, was wiederum die IP-Schutzart beeinflusst. Dieser Effekt sollte bei der Planung berücksichtigt werden: der maximale ΔP sollte den WIP nicht übersteigen, besonders nicht im Abkühlprozess, da ansonsten mit der Außenluft Wasser in das Gehäuse gesaugt werden kann.

Wie verhindert ein DAE Kondenswasser?

Die in DAEs verwendeten Membranen erlauben einen beiderseitigen Luftdurchlass, blocken jedoch Wasser, andere Flüssigkeiten und Schmutz/Staub ab. Dadurch kann eine hohe Schutzart wie IP 64, IP 65, IP 67 und IP 69 erreicht werden, obwohl das System atmen kann. Bei der Verwendung eines DAE sollte man nicht auf die Schutzart IP 68 aus sein, da ein System unter Wasser nicht „atmen“ kann (außer mit einem Schnorchel).

Das in unserer Atmosphäre vorliegende Wasser in Form von gasförmigem Wasserdampf, kann durch die Membran hindurchdiffundieren – in beide Richtungen, da die Membran bi-direktional ist! Sollte es während des Betriebs oder durch den Produktionsprozess bereits zu Kondenswasserbildung im Gehäuse gekommen sein, wird dieses durch den weiteren Betrieb allmählich hinausgepumpt. Dazu sind mehrere Ein-/Ausschaltzyklen notwendig. Im schließlich erreichten Gleichgewichtszustand ist die Luftfeuchtigkeit im Gehäuse identisch mit der Feuchtigkeit in der umgebenden Atmosphäre. Dieser Prozess ist von der Temperaturdifferenz innen/außen abhängig: je höher diese Differenz, desto schneller wird das Gleichgewicht erreicht. In der Annahme, dass die Temperatur im Gehäuse immer etwas höher ist als außerhalb, kommt es zu keiner Kondenswasserbildung.

Diese Betrachtungen sind wichtig beim Entwurf eines Systems. Ein Druckausgleichsstutzen sollte immer seitlich oben am Gehäuse angebracht werden. Damit wird die Blockierung der Membran durch Wasser oder Schmutz weitgehend verhindert. Unsere Entlüftungsverschraubungen können wie normale Kabelverschraubungen verwendet werden, d.h. immer dort, wo eine Kabeleinführung in ein Gehäuse notwendig ist. Der DAE-Rechner https://www.druckausgleichsrechner.de/de/ auf unserer Internetseite ist ein exzellentes Werkzeug zur Bestimmung des passenden DAE für die entsprechende Applikation. 

Diagramm Druckverlauf

Wann sollte ein Entwässerungsstutzen verwendet werden?

Wie bereits oben beschrieben, kann ein DAE das Auftreten von Kondenswasser in einem Industriegehäuse meist verhindern. Bei einigen Anwendungen ist der Einsatz eines Entwässerungsstutzens jedoch unabdingbar. Dies hängt von den Umgebungsbedingungen, der Anwendung und der Installation ab.

Wasserdampf kondensiert meist an sogenannten Kältefallen – an den kältesten Stellen des Systems. An diesen Stellen wird der Taupunkt überschritten, d.h. die Dampfphase geht in die Flüssigphase über. Dazu schauen wir ein Praxisbeispiel an: bei einer Lufttemperatur von 30°C beträgt die Sättigungsdichte von Wasser 30 g/m3 (=30 mg/ltr, d.h. ein Liter Luft enthält 30 mg Wasser); bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70% sind dies 21 mg/ltr. 21 mg/ltr entsprechen der Sättigungsdichte bei 19°C, d.h. ab T<19°C fällt der Wasserdampf aus – es entsteht Kondenswasser. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40% (@30°C) beträgt der Wassergehalt 12 mg/ltr und der Taupunkt liegt bei 11°C.

Aus diesem Beispiel wird ersichtlich, dass bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit die Temperaturdifferenz bis zur Bildung von Kondenswasser geringer ist als bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit. Mit anderen Worten: bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit und schnellen Temperaturwechseln ist ein Entwässerungsstutzen die richtige Wahl.

Entwässerungsstutzen werden am tiefst gelegenen Punkt des Gehäuses angebracht, damit das Kondenswasser mittels der Schwerkraft ablaufen kann.

 

Zusammenfassung

In den meisten Anwendungsfällen verhindern Druckausgleichselemente (Entlüftungsstutzen oder -verschraubung) die Bildung von Kondenswasser in Gehäusen. In einigen kritischen Anwendungen ist ein Entwässerungsstutzen notwendig. Manchmal werden wir gefragt, ob auch eine Kombination von DAE und Entwässerungsstutzen benutzt werden kann. Da die Mehrzahl unserer Entwässerungsstutzen die Schutzart IPx5 aufweisen, ist dies für die eine oder andere Anwendung eine Alternative.

Dennoch gibt es spezielle Anwendungen, wo weder DAE noch Entwässerungsstutzen Kondenswasser vermeiden können. Bei beiden Produkten handelt es sich um passive Bauelemente, deren Funktionalität nur von den Umgebungs- und Anwendungsbedingungen abhängt. Diese können ausschließlich durch aktive Klimatisierung beeinflusst werden: ein DAE oder Entwässerungsstutzen hilft hier nicht weiter.

Weitere Informationen erhalten Sie von unseren Spezialisten unter info@rst.eu.