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Die Luftzufuhr macht den Unterschied: Vergleich des Druckverlaufs in einem belüfteten und unbelüfteten Gehäuse mit 1,2 Liter freiem Luftvolumen Bild: W. L. Gore & Associates
Energieeffizienz

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Belüftungselemente schützen Smart-City-Elektronik

Text: Peter Kroker, W. L. Gore & Associates
In Smart-City-Anwendungen tragen Sensoren, Steuergeräte und Funkmodule zu einer effizienteren Ressourcennutzung bei. Die Herausforderung ist es, diese Elektronik zuverlässig und dauerhaft vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Vernetzte Sensoren und IT-Lösungen bilden die Basis für sogenannte Smart Cities. Mithilfe von „intelligenten“, miteinander kommunizierenden Sensoren können zum Beispiel Ver- und Entsorgungsnetze effizienter gesteuert, Mobilität und Sicherheit im Straßenverkehr gesteigert, die Gesamtkosten der Systeme über die Lebensdauer gesenkt und die Transparenz von Verwaltungsprozessen erhöht werden. Übergeordnetes Ziel ist es, die Lebensqualität zu verbessern, Energie nachhaltiger zu nutzen und Ressourcen zu schonen. Je weitreichender und komplexer die Funktionen der hierfür eingesetzten Elek­tronikkomponenten sind, desto wichtiger ist es, dass sie zuverlässig über eine lange Lebensdauer funktionieren.

Straßenbeleuchtung bietet Sparpotenzial

Ein Anwendungsbereich, der schon heute durch Smart-City-­Technologien verändert wird, ist die Straßenbeleuchtung. Während traditionelle Beleuchtungssysteme vielerorts noch via Zeitschaltuhr geregelt sind, verfügen moderne Straßen­laternen über Helligkeits- und Bewegungssensoren. Sie regulieren die Beleuchtungsdauer anhand des Bedarfs – an der erforderlichen Helligkeit und daran, ob sich Passanten in der Nähe befinden. Dies ermöglicht Energieeinsparungen von über 40 Prozent.

Ebenfalls Optimierungspotenzial bieten städtische Entsorgungsnetze: Die Abfalleimer der Zukunft erkennen mithilfe von Sensoren, wann sie geleert werden müssen. Die Müllabfuhr fährt nur noch Container an, die tatsächlich voll sind. Dies vermeidet Leerfahrten, was die Verkehrsbelastung für Anwohner verringert und Kosten spart.

Ein weiterer Markt im Umbruch ist der Energiesektor. Schon heute wird mit sogenannten Smart Metern, „intelligenten“ Mess- und Regelsystemen, der tatsächliche Bedarf erfasst und an die entsprechenden Energieversorger gemeldet. Dies wird genutzt, um die Energieverteilung bedarfsgerecht auszurichten und die Effizienz des Netzes zu steigern.

Elektronik vor Umwelteinflüssen schützen

Je komplexer und wichtiger die einzelnen Anwendungen für eine Smart City werden, desto wichtiger ist es, die sensible Elektronik über eine Lebenszeit von mehr als 20 Jahren vor Umwelteinflüssen zu schützen. Denn während das Versagen der sensiblen Elektronik in einem Mülleimer nur zu einer zusätzlichen Leerfahrt führt, kann bei einem defekten Smart Meter im Gasversorgungsnetz ein ganzer Stadtteil ohne Gas sein. Die Ursachen für solche Ausfälle sind oftmals undichte Gehäuse, die die Elektronik im Inneren nur noch unzureichend schützen.

Der größte Stressfaktor für die Gehäuse sind dabei tägliche Temperaturschwankungen. Durch das Ansteigen der Temperatur am Morgen dehnt sich die Luft im Inneren des elektrischen Gehäuses aus und drückt die Dichtung nach außen. In der Nacht kühlt die Box aus, die Luft zieht sich zusammen und belastet die Dichtung nach innen. Durch kalte Regenschauer oder Gewitter fallen diese Belastungen noch stärker aus. Dieser ständige Wechsel stresst die Dichtung, bis sie letztendlich ermüdet und versagt. Dies kann zu Schmutz-, Wasser- und Feuchtigkeitseintritt führen. Korrosion der Elektronik und Kurzschlüsse können die Folge sein.

Die Abbildung oben zeigt, welche Werte die Druckdifferenzen erreichen: Ein Temperaturabfall von 65 auf 15 Grad Celsius erzeugt in einem Gehäuse mit 5 Liter freiem Luftvolumen einen Unterdruck von -140 Millibar (mbar). Bereits eine geringere Druckdifferenz von 70 mbar kann für die Dichtungen schädlich sein und bei wiederholter Belastung dazu führen, dass das Material ermüdet. Weitere Ursachen für Luftdruckdifferenzen sind Höhenunterschiede, denen Elektronikkomponenten auf ihren Transportwegen ausgesetzt sind. Von weltweit verteilten Produktionsstätten werden Produkte heute oft per Flugzeug transportiert und sind dabei einem Luftdruck­unterschied von gut 1000 mbar am Boden und einem Kabinendruck in der Luft von 800 bis 850 mbar ausgesetzt.

„Atmende“ Elektronik steht nicht unter Druck

Die Herausforderung für Hersteller von Smart-City-Anwendungen besteht darin, diese Druckunterschiede auszugleichen. Hierfür bieten sich unterschiedliche Lösungen an. Robustere Dichtungen, zusätzliche Gehäuseschrauben, dickere Gehäuse oder Vergusswerkstoffe können eine Lösung sein. Sie schotten die Gehäuse zwar hermetisch ab, sind jedoch extrem teuer und steigern zusätzlich das Gewicht. All diese Systeme lösen jedoch nicht die Ursache der Leckage, sondern versuchen nur, den Zeitpunkt des ersten Wassereintritts nach hinten zu verschieben.

Eine weitere Möglichkeit ist ein offenes Labyrinth-System, was allerdings das Risiko birgt, dass Schmutz und Wasser in das Elektronikgehäuse eindringen. Belüftungslösungen aus Filz oder gesintertem offenporigem Metallschaum sorgen zwar für Luftdruckausgleich, können aber durch Wasser und Schmutz verstopfen. Ein mechanisches Ventil muss in beide Richtungen funktionieren, kann aber bei hoher Lebensdauer durch mechanische Ermüdung versagen.

Eine effektive Lösung sind hingegen moderne Belüftungslösungen, die mittels einer chemisch beständigen Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) einen kontinuierlichen Luftdruckausgleich gewährleisten. Die mikroporöse Struktur von ePTFE erlaubt einen Luftaustausch in beide Richtungen. Gleichzeitig verhindern die Membranporen, die circa 20.000-mal kleiner sind als ein Wassertropfen, dass Flüssigkeiten, Staub oder Schmutz eindringen können. Dadurch schützen die Belüftungselemente die sensiblen Komponenten zuverlässig und erhöhen die Lebensdauer der Smart-City-­Elektronik.

Damit die Belüftungslösungen Witterungseinflüssen in allen Einsatzszenarien standhalten, führt Gore umfangreiche Tests durch. Alle Belüftungselemente werden auf ihren IP-Schutzgrad gegenüber festen Objekten und Flüssigkeiten bis zu IP69k hin getestet. Verschiedene Temperaturbeständigkeitstests untersuchen, wie die Belüftungselemente auf Extremtemperaturen von minus 40 bis plus 150 Grad Celsius, auf wechselnde Temperaturzyklen und hohe Luftfeuchtigkeit reagieren. Zudem werden die Belüftungselemente auf besonders anspruchsvolle Umweltbedingungen hin untersucht, zum Beispiel im Salznebelsprühtest, der den Einsatz nahe der Meeres­küste simuliert, im Hageltest und unter Einfluss von korrosiven Gasen, wie sie in Smog und saurem Regen vorkommen können.

Belüftungselemente für „intelligente“ Städte

Für Smart-City-Anwendungen müssen Elektronikhersteller die Herausforderung lösen, sensible Sensoren und Funkmodule langfristig vor Druckdifferenzen, Temperaturschwankungen und Umwelteinflüssen zu schützen. Die effektivste Lösung hierfür stellen moderne Belüftungselemente dar, die mithilfe einer feinporigen Membran aus ePTFE einen kontinuierlichen Luftaustausch ermöglichen, Druckunterschiede zuverlässig ausgleichen und die sensible Elektronik vor Schmutzpartikeln und Flüssigkeiten schützen. Da die verschiedenen Smart-City-­Anwendungen ganz unterschiedliche Anforderungen an die Belüftungslösungen stellen, bietet Gore drei unterschiedliche Varianten an: Selbstklebende (Adhesive) Belüftungselemente sind besonders platzsparend und zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch in kleinste Elektronikgehäuse flexibel integriert werden können. Belüftungselemente zum Einrasten (Snap-In) sind speziell für Anwendungen konzipiert, die kosteneffizient in hohen Stückzahlen produziert werden, und eignen sich daher für eine schnelle halb- oder vollautomatisierte Montage. Belüftungselemente zum Einschrauben (Screw-In) sind mechanisch besonders stabil und sehr einfach zu montieren.

Je wichtiger die Anwendungen in einer Smart City werden, desto bedeutsamer wird es, sie zuverlässig über die gesamte Lebensdauer mit „intelligenten“ Belüftungselementen vor Witterungseinflüssen zu schützen.

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