Häufig gestellte Fragen (FAQ): Welche Dichtheitsanforderungen werden zur Erfüllung der Schutzart IPX7 benötigt?

Viele elektronische Bauteile werden hinsichtlich ihres Verhaltens gegen das Eindringen von Flüssigkeiten und anderen Fremdkörpern in bestimmte Schutzklassen eingeteilt. Bauteile, die erfahrungsgemäß mit Wasser in Berührung kommen, werden oft als Schutzart IPX7 klassifiziert; d. h. das Teil muss das Eintauchen in eine Wassertiefe von 1 m tolerieren und darf dabei nicht so viel Wasser aufnehmen, dass es anschließend nicht mehr funktionstüchtig ist.

Für die Fertigung dieser Bauteile stellt sich die Frage, nach welchen Dichtheitsanforderungen ein Bauteil bei der Prüfung zur Erfüllung der Schutzart IPX7 getestet werden muss.

LDS3000 AQ

Wasserleck durch das Gehäuse des Bauteils

Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir zunächst die Ausfallmodi derartiger Bauteile untersuchen. Beim Eintauchen unter Wasser in eine Tiefe von 1 m liegt ein Wasserdruck von 1,1 bar vor. Dieser Wasserdruck ist die treibende Kraft, die das Wasser durch möglicherweise vorhandene Undichtigkeiten dringen lässt. Bei sehr kleinen Undichtigkeiten verhindert die Oberflächenspannung des Wassers jedoch den Durchfluss des Wassers durch die undichte Stelle. So haben wir beispielsweise alle schon gesehen, wie ein Tropfen Wasser am Wasserhahn hängen kann, ohne herunter zu fallen.

Um zu berechnen, wie groß ein Loch sein kann, dass sich mit Wasser füllt, ohne das Wasser jedoch passieren zu lassen, sind einige Annahmen erforderlich:

  1. Wir nehmen an, dass der Leckkanal „ideal“ ist, d. h. er ist kreisförmig und sein Längen-Durchmesser-Verhältnis ist groß.
  2. Darüber hinaus nehmen wir an, dass der Druck innerhalb des Bauteils dem Atmosphärendruck entspricht, während der Wasserdruck in 1 m Tiefe 1,1 bar beträgt.
  3. Wir nehmen an, dass das Bauteil und das Wasser Raumtemperatur haben.
  4. Wir nehmen an, dass das Wasser rein ist und keine Verunreinigungen enthält.
  5. Wir unterscheiden zwischen verschiedenen Werkstoffkombinationen:
    • Wasser / Aluminium
    • Wasser / Stahl
    • Wasser / Kunststoffe
Gehäusematerial Kontaktwinkel für Wasser Maximaler Leckdurchmesser, der kein Wasser passieren lässt
Aluminum 5 µm
Stahl 90° 29 µm
PVC 40° 19 µm
PE 78° 28 µm
PC 81° 29 µm
ABS 83° 29 µm

Unter Berücksichtigung dieser Annahmen lässt sich aus den Kontaktwinkeln (α) für unterschiedliche Werkstoffkombinationen der maximale Durchmesser eines Lecks berechnen, das vollständig mit Wasser gefüllt wird, jedoch kein Wasser passieren lässt.

Aus dem größten Durchmesser, der noch gefüllt wird, lassen sich dann Leckraten für unterschiedliche Leckkanallängen (entsprechend der Wanddicke des Bauteilgehäuses) berechnen. Das nachstehende Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen der Wanddicke des Bauteilgehäuses und dem Leckratenäquivalent für unterschiedliche Werkstoffkombinationen bei 1,1 bar Außendruck und 1 bar Innendruck. Die entsprechende Leckrate für 100 % Helium ist etwa 7 % kleiner als die für Luft (unterhalb der Auflösung des folgenden Diagramms).

Wandstärke in [mm]

Äquivalente Luftleckraten für unterschiedliche Gehäusematerialien und Wanddicken bei 1,1 bar Außendruck relativ zum Innendruck von 1 bar

Die obigen Leckratengrenzwerte gelten unter den oben erwähnten „idealen“ Bedingungen. In praktischen Anwendungen zeigen sich mehrere Abweichungen von der theoretischen Analyse:

  • Lecks in praktischen Anwendungen besitzen normalerweise keine ideale Leckkanalgeometrie, sondern haben unterschiedliche Durchmesser und Profile, die den idealen Durchfluss durch den Kanal behindern.
  • Echte Lecks verlaufen normalerweise nicht genau senkrecht zur Wand des Bauteilgehäuses und haben deshalb einen längeren Leckpfad.
  • In praktischen Anwendungen kommt normalerweise kein destilliertes Wasser, sondern Wasser mit Verunreinigungen zum Einsatz.

Deshalb sind die wahren Anforderungen für die Leckprüfung etwas weniger anspruchsvoll als die theoretischen Grenzwerte. Grundsätzlich lassen sich die Dichtheitsanforderungen für Schutzart IPx7 in zwei Klassen zusammenfassen:

  • Kunststoff- und Stahlgehäuse sollten zur Erfüllung von IPx7 auf Leckraten im Bereich 5*10-3 mbar l/s getestet werden.
  • Aluminiumgehäuse sollten auf Leckraten im Bereich 1*10-5 mbar l/s getestet werden.