Cambiate Aria!

Non è necessario possedere ferrate conoscenze in elettronica per comprendere perché, se opportunamente ventilata, l’elettronica funzioni correttamente e più a lungo. I sensori, le centraline e i moduli radio sono alla base di molte applicazioni “smart city”. Per restare costantemente in perfetta efficienza funzionale, i componenti elettronici devono essere protetti dagli influssi ambientali in modo duraturo e affidabile. Gli sfiati offrono la soluzione giusta a questa esigenza perché compensano le differenze di pressione impedendo anche la penetrazione di sporcizia e acqua nell’involucro.

Le soluzioni “smart city” richiedono sensori e altri componenti elettronici intelligenti collegati in rete e che comunicano tra loro. Con il loro aiuto, si possono migliorare la sicurezza e la mobilità nel traffico, gestire in modo più efficiente le reti di approvvigionamento e smaltimento, aumentare la trasparenza delle procedure amministrative e ridurre i costi complessivi dei sistemi nell’arco della loro durata. Le città intelligenti tendono così a sfruttare le risorse e l’energia in modo più sostenibile, migliorando la qualità di vita dei cittadini. Quanto più complesse e ampie diventano le funzionalità dei componenti elettronici impiegati, tanto più importante diventa la missione di proteggerli dagli influssi ambientali, affinché funzionino in modo affidabile per tutto l’arco della loro vita utile.

APPLICAZIONI INTELLIGENTI

Le tecnologie smart city sono già disponibili in vari campi di applicazione. Per rendere più efficiente lo smaltimento dei rifiuti, ad esempio, si possono dotare i cassonetti sparsi per la città di sensori in grado di riconoscere quando occorre effettuarne lo svuotamento. In questo modo, i camion della nettezza si recano solo presso i cassonetti effettivamente pieni. Il minor numero di corse riduce il traffico per i residenti e, naturalmente, anche i costi. Anche l’illuminazione stradale del futuro offre un forte potenziale risparmio energetico. I lampioni stradali oggi vengono accesi e spenti per lo più tramite un timer, mentre i moderni sistemi di illuminazione sono dotati di sensori di luminosità e di movimento che attivano i lampioni solo in caso di necessità, ad esempio, se fa buio prima a causa del cielo coperto o in presenza di passanti la notte. Questi sistemi d’illuminazione intelligenti permettono di ottenere un risparmio energetico di oltre il 40%. Un altro elevato potenziale di ottimizzazione è insito nel settore energetico. Gli “smart meter”, i sistemi di misurazione e regolazione intelligenti, già oggi rilevano il consumo effettivo e segnalano al fornitore di energia il fabbisogno previsto. Le centrali elettriche possono così adeguare la distribuzione alle effettive necessità, aumentando l’efficienza della rete.

PROTEZIONE DELL’ELETTRONICA

L’importanza del funzionamento perfetto e della lunga durata dei componenti elettronici varia a seconda delle applicazioni e dei campi di impiego. Infatti, se si guasta la delicata elettronica del cassonetto dei rifiuti, la conseguenza è solo un viaggio a vuoto del camion. Uno smart meter difettoso, invece, può causare un blackout in un intero caseggiato. All’origine di questo tipo di guasti sono spesso degli involucri permeabili che non riescono a proteggere adeguatamente l’elettronica all’interno dello smart meter o di altri dispositivi. Quanto più complesse e vitali sono le applicazioni per una smart city, tanto più urge proteggere la sua delicata elettronica dagli influssi atmosferici negativi, per periodi anche superiori ai 20 anni. Il maggiore fattore di stress per gli involucri dei sistemi elettronici sono gli sbalzi termici quotidiani. L’aria al loro interno si espande al mattino, al salire della temperatura, premendo la guarnizione verso l’esterno. Di notte, la stessa atmosfera interna si raffredda e si contrae, risucchiando la guarnizione verso l’interno. Queste sollecitazioni sono ancora più forti, ad esempio, se i componenti sono sottoposti a un “acquazzone” freddo in una calda giornata estiva, o all’irradiazione solare diretta. La continua variazione di pressione con il passare del tempo usura la guarnizione, che diventa porosa e non protegge più il dispositivo. Particelle di sporcizia, liquidi e umidità atmosferica possono così penetrare nell’involucro e danneggiare l’elettronica causando anche corto circuiti. La Figura 1 illustra le differenze di pressione all’interno di involucri dei sistemi elettronici. In un involucro con 5 litri di volume d’aria libera, il calo di temperatura da 65 a 15 °C causa una depressione di -140 mbar. Per le guarnizioni una differenza di pressione di 70 mbar è sufficiente a creare danni. Sottoposto a ripetute sollecitazioni, il materiale si logora. Un’altra causa degli sbalzi di pressione sono le differenze di quota alle quali sono esposti i componenti elettronici durante il trasporto. Oggigiorno, infatti, i prodotti lasciano gli stabilimenti sparsi per il mondo per essere spediti via aerea verso i luoghi di impiego. All’interno dell’aereo la pressione ridotta, pari a circa 850 mbar, rispetto agli oltre 1.000 mbar a terra, rappresenta un’enorme sollecitazione per l’involucro.

Figura 1: Esempio di calcolo delle variazioni di pressione in un involucro con e senza sfiato

L’EQUALIZZAZIONE DELLA PRESSIONE TUTELA LE GUARNIZIONI

Per evitare simili differenze di pressione esistono varie possibilità. La prima, consiste nell’isolare ermeticamente l’interno impiegando involucri più spessi, viti aggiuntive, guarnizioni più robuste o materiali ottenuti in colata. Queste soluzioni, oltre ad essere molto costose e comportare un aumento di peso, non eliminano la vera causa della perdita, ovvero l’affaticamento del materiale delle guarnizioni, ma ritardano soltanto il momento in cui l’acqua penetrerà per la prima volta. Anche una valvola meccanica bidirezionale può cedere con il tempo, a causa dell’affaticamento meccanico. Un’alternativa può essere un sistema a labirinto aperto che, però, non impedisce ad acqua e sporcizia di penetrare all’interno dell’involucro elettronico. Le soluzioni di sfiato in feltro o materiale sinterizzato garantiscono la compensazione di pressione necessaria, ma con il tempo si impregnano di sporcizia e acqua. L’unica soluzione davvero efficace, quindi, sono gli sfiati moderni, che garantiscono una compensazione di pressione costante tramite una membrana in politetrafluorene espanso (ePTFE), resistente alla maggior parte delle sostanze chimiche. La struttura microporosa dell’ePTFE permette lo scambio d’aria in entrambe le direzioni. Al contempo, i pori della membrana, circa 20.000 volte più piccoli di una gocciolina d’acqua, impediscono anche la penetrazione di liquidi, polveri o sporcizia nell’involucro. Queste soluzioni di sfiato proteggono efficacemente i componenti elettronici nelle applicazioni smart city, prolungandone la durata. Che questo tipo di sfiati resista anche ai diversi influssi atmosferici è stato ampiamente dimostrato da Gore tramite una serie di prove, che hanno preso in considerazione tutti i possibili scenari di impiego. Tutte le soluzioni di sfiato sono sottoposte a prove di verifica della protezione da corpi solidi e liquidi fino al grado IP69k. Vari test di resistenza termica rilevano la reazione degli sfiati a cicli termici alternati, a temperature estreme da -40 fino a +150 °C e ad un’elevata umidità atmosferica. Inoltre, le soluzioni di sfiato vengono esposte a condizioni ambientali particolarmente gravose, quali grandine, nebbia salina per simulare la prossimità alla costa, o gas corrosivi contenuti nello smog o nelle piogge acide.

SFIATI INTELLIGENTI PER CITTÀ INTELLIGENTI

I moderni sfiati con membrana a pori fini in ePTFE rappresentano la soluzione più efficace per proteggere a lungo i delicati sensori e moduli radio da differenze di pressione e di temperatura, nonché da altri influssi ambientali. Oltre ad assicurare un costante scambio d’aria, compensano le differenze di pressione in modo affidabile proteggendo a lungo la delicata elettronica dai liquidi e dalle particelle di sporcizia. Le diverse applicazioni smart city richiedono soluzioni di sfiato con caratteristiche differenti per le quali Gore ha studiato tre varianti: gli sfiati filettati (screw-in) hanno un’elevata stabilità meccanica e sono molto facili da montare; gli sfiati adesivi (adhesive) sono poco ingombranti e si possono integrare in modo flessibile anche nei più piccoli involucri elettronici; gli sfiati a scatto (snap-in) sono ideali per il montaggio semiautomatizzato o automatizzato e quindi per involucri prodotti in grandi quantità a costi contenuti. In questo modo, Gore mette a disposizione la soluzione più adatta a ciascuno scenario di impiego. Quanto più un’applicazione è vitale per la smart city, tanto più pressante diventa la necessità di proteggere efficacemente i componenti dagli influssi atmosferici per tutto l’arco della loro vita utile, tramite soluzioni di sfiato intelligenti.

ESEMPIO PRATICO: TRASMISSIONE DATI TRAMITE WIFI

Nelle smart cities, ad esempio, si utilizzano sensori e concentratori per misurare valori, come la concentrazione di CO2 nell’aria o la quantità di pollini, da inviare tramite WiFi alle autorità competenti, ad esempio, agli enti sanitari. Questa elettronica deve essere protetta dagli influssi ambientali, perché possa trasmettere in modo affidabile i valori misurati per tutta la vita del dispositivo. Se il sole batte sull’involucro in una fredda mattina invernale, la temperatura può salire da -20 a +40°C in poco tempo. La Figura 2 mostra in che modo l’involucro con sfiato compensa la differenza di pressione nell’arco di due minuti. Nell’involucro senza soluzione di sfiato, invece, si genera una sovrapressione di 225 mbar che sollecita la guarnizione, danneggiandola a lungo termine.