Kotelon tiiveyttä analysoiva algoritmi kosteus- ja lämpötilamittauksilla, sekä kosteuden haitat mikropiireille Pro Gradu -tutkielma Turun yliopisto Fysiikan ja tähtitieteen laitos Fysiikka Kevät 2020 Jarkko Hanhela Tarkastajat: Prof Petriina Paturi FM Toni Rumpunen Turun yliopiston laatujärjestelmän mukaisesti tämän julkaisun alkuperäisyys on tar- kastettu Turnitin OriginalityCheck-järjestelmällä TURUN YLIOPISTO Fysiikan ja tähtitieteen laitos HANHELA, JARKKO Kotelon tiiveyttä analysoiva algoritmi kosteus- ja lämpöti- lamittauksilla, sekä kosteuden haitat mikropiireille Pro Gradu -tutkielma, 59 s. Fysiikka kevät 2020 Turun yliopiston laatujärjestelmän mukaisesti tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin Originality Check -järjestelmällä. Elektroniikan yleistyttyä myös tuotteiden vesitiiveyteen on kiinnitetty entistä enem- män huomiota. Elektroniikan altistuminen suurille kosteuksille voi aiheuttaa lait- teiden toimintahäiriöitä ja pahimmillaan tulipaloon johtavia oikosulkuja. Yksinään suojakuoren vesitiiveys ei kaikissa tapauksissa riitä suojaamaan elektroniikkaa, sillä vettä piilee myös valmiiksi laitteiden sisällä. Hyvä tiiveys kuitenkin pidentää tuot- teen käyttöikää, jonka vuoksi on kehitetty tekniikoita tiiveyden mittaamiseen. Vesitiiveyttä voidaan mitata lukuisilla tavoilla, jotka kuitenkin vaativat erillisiä mit- tausjärjestelyitä. Haastavissa olosuhteissa tuotteen vesitiiveyttä olisi kannattavaa mitata kuitenkin reaaliaikaisesti, jotta voitaisiin ennustaa kosteusvuodon aiheut- tama vaara jo ennen laitteen vioittumista. Ilman kosteustasoa suojakuoren sisältä voidaan mitata helposti kosteus- ja lämpötila-antureilla. Koska ilmankosteus reagoi vuotojen lisäksi mm. piirilevyn sisältämän veden desorptioon, nestemäisen veden haihtumiseen ja höyryn kondensoitumiseen, vuotoja on haastavaa mallintaa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, voitiinko kaapelitelevisioverkkoon suunnitellun kui- tusolmutuotteen suojakuoren sisälle sijoitetulla kosteus- ja lämpötila-anturilla sel- vittää mahdollisten vuotojen suuruudet. Ilmankosteuden fysikaalisille ilmiöille mää- ritettiin aluksi pohja teoriaosuudella, jonka jälkeen teoriaa sovellettiin käytännön kokeisiin vaihtelevissa ympäristöolosuhteissa. Avainsanat: kosteus, elektroniikka, vuotomittaus, RH, AH, kosteudentorjunta, dif- fuusio. Sisältö Johdanto 1 1 HFC-verkko ja laitteen asennusympäristö 2 2 Ilmankosteuden yhteys kaasun tilanmuuttujiin 4 2.1 Ideaalikaasu ja termodynaaminen tasapaino . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Suhteellinen kosteus ja osapaineet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 Absoluuttinen kosteus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 Ilmankosteus vaarana mikropiireille 10 4 Kosteudentorjuntakeinot 11 4.1 Vesitiiveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.2 Kondensioveden hallinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 5 Kotelon tiiveyden määrittäminen lämpötilasta ja ilmankosteudesta 16 5.1 Teoreettinen malli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5.1.1 Vuodot ympäristön ja systeemin välillä . . . . . . . . . . . . . 16 5.1.2 Sitoutuneen veden desorptio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.1.3 Veden haihtuminen ja kondensoituminen . . . . . . . . . . . . 25 5.1.4 Yhteisvaikutus absoluuttiseen kosteuteen . . . . . . . . . . . . 27 5.2 Koelaitteisto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.3 Testiympäristö . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.4 Kokeelliset mittaukset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.4.1 Kalibrointitarpeen testaaminen . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.4.2 Tiivis tapaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.4.3 Kannen pulttien kireyden vaikutus . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4.4 Systeemissä haihtuvan veden vaikutus . . . . . . . . . . . . . 50 5.4.5 Vertailumittaukset lämpökaapissa . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6 Tulokset 54 7 Yhteenveto 55 1Johdanto Kosteus on aina ollut elektroniikan vihollinen. Yritys ja erehdys ovat varmasti alun- perin luoneet ajatuksia siitä, mitä kosteus voi sähkölaitteille aiheuttaa sekä nopeasti että ajan kanssa. Sähkön aikakautena onkin keksitty lukuisia eri tapoja pitää elekt- roniikka suojassa kosteudelta sekä menetelmiä testata kehitelmien tiiveyttä. Hyvä vesitiiveys on tarkan suunnittelun tulos, ja sillä voidaan taata tuotteelle huomattavasti pidempi käyttöikä ja varmempi toimivuus. Myös elektronisen laitteen tehokkuus pysyy ehompana, kun kosteus ei pääse vaikuttamaan yksittäisiin kompo- nentteihin ja niiden sähköisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi kondensaattoreiden ja puolijohteiden ominaisuudet reagoivat merkittävästi ilman suhteelliseen kosteuteen [1]. Vesitiiveyttä osataan hyvin mitata tuotteen valmistusvaiheessa erilaisilla kokeil- la, mm. paineilmalla, ultraäänellä, ja indikaattoriaineilla, kuten saippuavedellä. Nä- mä ovat kuitenkin suhteellisen hitaita menetelmiä tuotteen asennuksen jälkeen tois- tettavaksi, ja vaativat erityisen koejärjestelyn. Suurempia lämpimän kaasun vuotoja löydetään helposti myös lämpökameralla, ja painevuotoja modernilla äänitutkal- la [2]. Näitä voidaan käyttää helposti ja nopeasti tuotteen ollessa asennettunakin. Ne eivät silti toimi laitteisiin, joissa vuoto ei aiheuta ääntä eikä merkittävää läm- pöhukkaa. Reaaliaikainen vuotojen monitorointi jo käytössä olevissa tuotteissa on haastavampaa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, onnistuuko tiiveyden mittaus lait- teen kotelon sisään sijoitetulla kosteus- ja lämpötila-anturilla. ICON9000-niminen kaapelitelevisioverkon kuitusolmutuote altistettiin vaihteleville olosuhteille, joissa kosteusvuodot pyrittiin selvittämään. Tuloksista kävi ilmi mittaustavan edut ja haasteet. Tutkielma aloitettiin kuitenkin perehtymällä tuotteen asennusympäristöön ja nostamalla esiin kosteuden aiheuttamat haitat elektroniikalle. 21 HFC-verkko ja laitteen asennusympäristö Kaapelitelevisioiden alkuaikoina signaali välitettiin koaksiaalikaapeleilla koko mat- kalta aina palveluntarjoajalta asiakkaille. Kaapelissa signaalin voimakkuus heikkeni suhteellisen lyhyelläkin välimatkalla, minkä vuoksi tarvittiin useita signaalivahvis- timia pitkin verkkoa. Jokainen vahvistin voimisti kuitenkin osaltaan myös virhesig- naaleita, joita pyrittiin minimoimaan. Onneksi viestintäteknologiassa on nyt edetty valokuitutasolle. Valokuidussa signaali heikkenee paljon hitaammin, ja tiedonsiirtonopeus on rei- lusti suurempi. Kuituverkossa yksi lähetin tai vahvistin kattaa siten laajemman alueen, mikä parantaa verkon toiminnan laatua ja luotettavuutta pienemmällä komponenttimäärällään. Nykyisin Suomenkin kaapelitelevisiot saavat signaalinsa valokuitua hyödyntävistä kuitukoaksiaalihybridi (engl. hybrid fiber-coax, HFC) - kaapelitelevisioverkoista. [3, 4]. HFC-verkko koostuu palveluntarjoajan puolen lähettimestä, valokuidusta, sol- mupisteessä ja koaksiaalikaapelista. Lähetin lähettää signaalin valokuitua pitkin sol- mussa olevaan laitteeseen, joka muuttaa informaation valosta sähköiseksi koaksiaa- likaapeliin. Koaksiaali johtaa signaalin edelleen asiakkaiden taloihin ja televisioi- hin. Tässä tutkimuksessa keskityttiin ICON-nimiseen tuotteeseen, joka tulee toi- mimaan juuri tällaisena valon ja sähköisen signaalin välisenä kuitusolmutuotteena HFC-verkossa [4]. Signaali, jota HFC-verkossa välitetään, voidaan jaotella monella eri tavalla. In- formaatiotyyppeihin jaoteltuna se sisältää kuvaa, ääntä sekä muuta dataa. Muuta dataa on mm. interaktiivinen kommunikaatio kaapeliverkon laitteiden ja palvelun- tarjoajan välillä. Eri kanaviin signaali voidaan osittaa esimerkiksi kansallisen te- levisiojärjestelmäkomitean (engl. National Television Systems Committee, NTSC) standardin mukaisesti taajuusalueiden perusteella. Tätä käytetään lähinnä Ameri- kassa ja Japanissa. Kanavajaottelu vaihtelee hieman aluekohtaisesti, ja siirtyvään dataan liittyy myös monia laajemman tason standardeja [3]. Amerikasta Eurooppaan ja Suomeen asti levinnyt kaapelidatastandardi (engl. Data over Cable Service Interface Specification, DOCSIS) mahdollistaa verkossa kul- kevan informaation jakamisen palveluntarjoajan näkökulmasta menosuunnan lisäksi myös paluusuuntaisesti. Yhdessä koaksiaalikaapelissa yhdistyy molemmat suunnat, kun taas solmulaitteen kuitupuolella on molemmille suunnille omat erilliset valokui- tunsa. DOCSIS-standardeja noudattavasta HFC-verkosta on esimerkkikaavio kuvas- sa 1. Siinä palveluntarjoaja on merkitty ylös, ja siitä lähtee valokuidut lähettimien kautta alaspäin solmuja kohti. Solmusta (kuvassa merkitty tunnuksella FN) lähtee 3Kuva 1: Havainnekaavio DOCSIS-standardia noudattavasta HFC-verkosta [3]. koaksiaalikaapelihaaroja lähialueille, ja pidemmissä haaroissa on vahvistimia sään- nöllisin välimatkoin ylläpitämässä signaalin voimakkuutta. Tietovirran menosuunta on kuvassa ylhäältä alaspäin jokaiseen asiakaspäätteeseen, ja paluusuunta on asia- kaspäätteeltä kohti palveluntarjoajaa [3, 4]. ICON on varsinaisesti kuitusolmutuote, mutta sen toiminta sisältää myös sig- naalin vahvistusta, kun informaatio muunnetaan valosta jännitteiksi johtimiin. Täl- laisissa solmutuotteissa sekä varsinaisissa vahvistimissa samaa kaapelia käyttävien signaalien kulkusuunnat on kyettävä erottamaan toisistaan. Tähän tarkoitukseen on diplekserit. Erotus voi tapahtua muun muassa taajuuden perusteella, kuten eri ka- navienkin välillä. Menosuuntaan menevä signaali voidaan siirtää esimerkiksi 85 MHz 4taajuudella, ja paluusuuntaan menevä 110 MHz taajuudella, jolloin niiden väliin jää epämääräinen välialue. Välialueella tapahtuu siirtymä menosuunnasta paluusuun- taan, ja on siten vahvistusoperaatiossa alttiimpi virhesignaaleille kohinoineen ja sä- röineen. Siksi se on määritelty käyttämättömäksi estokaistaksi. Taajuuspohjaisen jaottelun perusteella paluukaista ja estokaista vievät tilaa menokaistalta. Koska me- nokaistassa tapahtuu suurin tietoliikenne kuljetettaessa asiakkaille katseltavaa, sille on varattu suurin kaistanleveys, ja estokaistan leveys pyritään luonnollisesti mini- moimaan [4]. 2 Ilmankosteuden yhteys kaasun tilanmuuttujiin 2.1 Ideaalikaasu ja termodynaaminen tasapaino Tiiveyden luotettava määrittäminen makrotasolla edellyttää perusteellista ymmär- rystä mitattavien fysikaalisten suureiden keskinäisestä käyttäytymisestä aina mik- rotasolta lähtien. Aivan ensimmäiseksi selvitetään ilman käyttäytymisen perusperi- aatteet, ja niihin tehdyt approksimaatiot tässä tutkimuksessa. Kaasufaasissa olevan aineen fysikaalisen tilan märittävät kaasun tilanmuuttujat. Ne ovat paine p, lämpötila T , ainemäärä n sekä kaasun täyttämä tilavuus V . Nor- maaliolosuhteissa (Normal Temperature and Pressure, NTP), joissa p = 101; 3 kPa ja T = 293; 15 K, kaasun lämpötila ja paine ovat niin pienet, etteivät hiukkaset juurikaan reagoi niiden keskinäisissä törmäyksissä [5]. Tässä tutkimuksessa ilma oli lähellä NTP-olosuhteita, joten sen tilaa kuvasi ideaalikaasun tilanyhtälö pV = nRT; (1) missä R on moolinen kaasuvakio. Yhtälön perusteella esimerkiksi suljetussa sys- teemissä vakiotilavuudessa lämpötilan kaksinkertaistaminen aiheuttaa välittömästi paineen kaksinkertaistumisen. Usein kaasu täyttää kuitenkin ison tilavuuden, eivät- kä intensiiviset suureet muutu täsmälleen samaan aikaan koko kaasun tilavuudessa. Esimerkiksi suljetun systeemin seinämästä saapuva lämpö vaikuttaa nopeimmin il- maan seinämän vieressä, mikä synnyttää systeemiin tilapäisen epätasapainon [5]. Termodynaaminen tasapaino on tila, johon jokainen systeemi pyrkii spontaanis- ti. Tasapainoon hakeutuminen on seurausta termodynamiikan 2. pääsäännön mu- kaisesta pyrkimyksestä maksimoida systeemin entropia. Suurin entropia on termo- dynaamisessa tasapainossa, joka koostuu termisestä, mekaanisesta ja kemiallisesta tasapainosta [6]. 5Termisessä tasapainossa lämpötila jokaisessa systeemin pisteessä on sama. Läm- pötila tasaantuu lämmön siirtymänä joko johtumalla, säteilemällä tai kuljettumalla. Mekaaninen tasapaino tarkoittaa yhdenmukaista vakiopainetta systeemin jokaisessa osassa. Se tasoittuu hiukkasten ja kappaleiden liikkeiden seurauksena, eli kaasujen tapauksessa yksittäisten paine-eroalueiden tilavuudenmuutoksista kaavan (1) mu- kaisesti [6]. Kemiallinen tasapaino tarkoittaa ilmalle sitä, että kaasu on jakautunut koostu- mukseltaan tasaisesti joka puolelle tilavuudessaan. Eksaktimmin ilmaistuna kaasun jokaisen ainesosan konsentraatiot pysyvät vakioina kaikkialla kaasussa. Myös kemial- linen tasapaino saavutetaan ainesosien liikkuessa paikasta toiseen - suuremmasta konsentraatiosta pienempään. Tätä kutsutaan diffuusioksi [6]. Yksinkertaisen laskutavan konsentraatiogradientin aiheuttaman diffuusion no- peudelle antaa Fickin ensimmäinen diffuusiolaki dJ dt = DdcH2O dx ; (2) missä dJdt kuvaa veden diffuusionopeutta pinta-alayksikön läpi yksikössä [ mol m2s ]. Po- sitiivisena se kohdistuu matalampaan konsentraatioon, eli negatiivisen gradientin suuntaan, ja siksi yhtälössä on miinus. Myös diffuusiokerroin D on positiivinen. On tärkeää huomata, että D riippuu sekä diffusoituvasta että läpäistävästä materiaalis- ta. Siten vesihöyryn kerroin D on aivan eri kuin kuivan ilman Dkuiva ilma. Diffuusiokertoimen yksikkö on [m2/s], ja lämpötilariippuvuutta kuvaa Maxwell- Boltzmannin jakaumiin perustuva Arrheniuksen yhtälö D = D0 exp  ED RT  ; (3) missä D0 on kertoimen arvo jossain vertailupisteessä, R on ideaalikaasuvakio, T on lämpötila ja ED kuvaa diffuusion aktivoitumisenergiaa yksikössä [J/mol]. Akti- voitumisenergian suuruusluokka veden diffuusiolle on tyypillisesti joitain kymme- niä kJ/mol. Esimerkiksi tietyillä piirilevyissäkin käytetyillä polymeereillä ED = 35 kJ/mol [7, 6]. Tärkein huomio yhtälössä on kuitenkin se, että suurempi diffuusio- kerroin ja siten nopeampi diffusoituminen saavutetaan korkeammissa lämpötiloissa. Diffuusiota tapahtuu sekä yksittäisen faasin, kuten kaasun, sisällä että faasien rajapinnoilla. Kuvassa 2 on havainnollistava esimerkki tapauksesta, jossa vesihöyry diffusoituu ympäristön ilmasta kiinteän aineen läpi sisälle systeemin ilmaan. Tämä aiheuttaa fysikaalisen tilan muutoksia niin kaasuissa kuin kiinteässäkin aineessa. Aluksi vesimolekyylit adsorboituvat kiinteälle pinnalle nestemäiseksi kalvoksi, jos- ta vesi sitten absorboituu pinnan sisään. Tämä tapahtuu ympäristön vesihöyryn 6cH2O, ulkona Kiinteä seinämäYmpäristö - Suuri AH - Suuri pH2O cH2O, sisällä Systeemi - Pieni AH - Pieni pH2O cH2O, ulkona > cH2O, sisällä Absorptio Diffuusio Desorptio Märkä pinta Kuva 2: Kosteuden diffusoituminen kaasusta kaasuun väliseinämän lävitse. osapaineen vaikutuksesta. Ideaalista adsorptiota kuvaa Henryn laki cH2O, pinta = S  pH2O: (4) Pinnalle adsorboituva konsentraatio on siis suoraan verrannollinen kaasun osapai- neeseen ilmassa pinnan vieressä [7]. Vaikka suljetussa systeemissä ilman kosteus- konsentraatio pysyisi samana, myös paineen nousu lämpötilan vaikutuksesta voi kohottaa adsorboituvaa kosteuskonsentraatiota pinnassa. S on materiaalikohtainen lämpötilasta riippuva liukoisuuskerroin: S = S0 exp HS RT  ; missä S0 on liukoisuuskertoimen arvo tietyssä vertailupisteessä, R kaasuvakio, T lämpötila ja HS kuvaa entalpiamuutosta adsoboituvan aineen liuetessa materiaalin pintaan. Suuremmassa lämpötilassa T myös liukoisuuskerroin S on suurempi, mikä johtaa suurempaan vesikonsentraatioon pinnassa. Siten lämmitys kosteassa ilmassa altistaa pintoja kostumiselle. Lisäksi vesihöyryn tiivistyminen vapauttaa energiaa pinnalle lämpönä, mikä nopeuttaa myös diffuusiota [7]. 7Henryn laki pätee parhaiten nesteille ja pienille adsorboituville konsentraatioille. Vedelle ja orgaanisille höyryille adsorptio usein poikkeaa hieman Henryn laista: ad- sorboitunut konsentraatio on suurempi kuin samasta aineesta koostuvilla nesteillä, ja se noudattaa yhtälöä cH2O, pinta = a  cbH2O, ilma; missä a ja b ovat kokeellisesti määritettäviä vakiokertoimia. Kosteuden adsorptiolle eksponentin b arvo on yleensä välillä 1 - 2, ja se on siis melkein suoraan verrannollinen vesihöyryn osapaineeseen, kuten Henryn lailla voidaan approksimoida [7]. Tässä tutkimuksessa käytetäänkin yksinkertaistaen Henryn lakia. Kuvan 2 esimerkin systeemin sisällä on pienempi kosteuden osapaine kuin systee- min ulkopuolella, joten seinämän sisäpuolelle sitoutuu myös vähemmän vettä. Siten seinämän eri puolilla vallitsee vesikonsentraatioero, joka pyrkii tasoittumaan veden diffuusion avulla. Näin diffuusio kuljettaa vesimolekyylejä hitaasti kiinteän aineen lävitse, ja pyrkii loiventamaan konsentraation gradienttia. Kun vesimolekyylit lopul- ta saavuttavat sisäpinnan, ne siirtyvät kiinteästä aineesta ensin ohueen nestepintaan, ja sitten kuivempaan kaasuun systeemin sisällä. Tätä kutsutaan desorptioksi, ja se on yksinkertaistettuna absorptiolle ja adsorptiolle päinvastainen ilmiö. Diffuusiota tarkasteltaessa on tärkeää ottaa huomioon, että eri kaasuilla on erilai- nen diffuusiokäyttäytyminen. Tämänkin tutkimuksen kokeissa havaitaan, että kui- van ilman typpeä ja happea huomattavasti pienemmät vesimolekyylit diffusoituvat aivan eri nopeuksilla kuivaan ilmaan verrattuna. 2.2 Suhteellinen kosteus ja osapaineet Ulkoilma on kaasuseos, jossa on sekoittuneena lukemattomia eri aineita kaasumuo- dossa. Seisova kaasu aiheuttaa tasaisen paineen rajapinnoilla kiinteään aineeseen, kuten ympäröiviin seinämiin tai paineanturiin. Kokonaispaineen suuruus on Dalto- nin lain mukaan yksittäisten ainesosien tuottamien osapaineiden summa. Tavallises- sa ulkoilmassa olevista alkuaineista ylivoimaisesti suurin osa on typpeä, jonka jälkeen eniten on happea. Näiden ainemääräkonsentraatiot kuivassa ilmassa merenpinnan tasolla ovat typelle 78,08 % ja hapelle 20,95 % [5]. Muiden alkuaineiden osuuksien summaksi jää vain vajaa prosenttiyksikkö, minkä perusteella niiden vaikutus koko- naispaineeseen on häviävän pieni. Teoreettisesti voitaisiin laskea eri alkuaineiden ai- heuttamat osapaineet niiden suhteellisista ainemääristä, mutta tässä tutkimuksessa oltiin kiinnostuneita kosteudesta, eli vain veden aiheuttamasta osapaineesta. 8Ilmanpaineen voidaan ajatella koostuvan kuivan ilman ja siihen sekoittuneen ve- sihöyryn aiheuttamista osapaineista, joiden summa Daltonin lain mukaan esitettynä on p = pkuiva + pvesi (5) = pkuivaxn;kuiva + pH2Oxn;H2O: Tässä kertoimet xi ovat ainemäärien suhteelliset osuudet koko kaasuseoksessa. Nii- den suhde kuvaavaa siis sekoittuneiden kaasujen ainemäärien suhdetta [5]. Veden kyllästysosapaine pH2O on paine, jossa kaasu ei enää pysty sitomaan yhtään enempää vettä itseensä, ja ylimääräinen kosteus alkaa tiivistyä vesipisaroiksi. pH2O riippuu ainoastaan lämpötilasta ja aineen kemiasta [5]. Suhteellinen kosteus RH ilmassa kuvaa veden osapaineen suhdetta sen kylläs- tysosapaineeseen pH2O. Kaasufaasissa olevan veden osapaine pvesi ei voi ikinä ylittää sen kyllästysosapainetta, jolloin RH voi saavuttaa korkeimmillaan arvon 100 %. To- dellisuudessa tätä ilmankosteusprosenttia ei kuitenkaan yleensä savuteta, sillä luon- nossa veteen on lähes aina sitoutuneena epäpuhtauksia. Haihtuminen on suoraan verrannollinen nesteen ja kaasun väliseen pinta-alaan, ja epäpuhtaudet vievät osan tästä alasta. Erilaisista fysikaalisista ominaisuuksistaan johtuen epäpuhtaudet eivät kuitenkaan haihdu veden haihtuessa. Siten vettä haihtuu suhteessa vähemmän, ja tasapaino haihtumisen ja kondensaation välillä siirtyy matalampaan osapaineeseen. Epäpuhtaudet siis laskevat kylläisen vesihöyryn painetta. Seurauksena vesi alkaa tiivistyä kaasusta nesteeksi jo hieman matalammassa kosteudessa [5]. Kosteusmittareiden toimintaperiaatteet tuovat myös omat rajansa havaittaviin RH-arvoihin, eivätkä elektroniset anturit yleensä edes kestä kosteudesta saturoitu- nutta ilmaa, eli sumua. Näitä kosteusmittareiden ominaisia rajoja puidaan tarkem- min kappaleessa 5:2 - Koelaitteisto. Liuenneiden epäpuhtauksien vaikutuksen lisäksi pH2O riippuu ainoastaan kaasun lämpötilasta. Puhtaan veden lämpötilariippuvuudelle on määritetty artikkelissa [8] erittäin tarkasti kokeellisia tuloksia vastaava yhtälö: pH2O(T ) = exp(34; 494 4924;99 T273;15+237;1) (T 273; 15 + 105)1;57 = exp(34; 494 4924;99 T36;05) (T 168; 15)1;57 : (6) Tämän perusteella suhteellinen kosteus voidaan laskea, jos tiedetään vesihöyryn osa- paine ja lämpötila: RH = pH2O pH2O(T ) : (7) 9Yleensä RH saadaan kuitenkin suoraan kosteusmittarilta, jolloin kaavasta (7) voi- daan halutessa ratkaista veden osapaine. Paine riippuu kuitenkin aina monista tekijöistä, eikä se siten ole erityisen hyö- dyllinen kosteuden kuvaamisessa yksinään [5]. Sama pätee siihen suoraan verran- nolliseen suhteelliseen kosteuteen. Ilman tarkempaa kontekstia esimerkiksi suhteel- linen kosteus RH = 90 % ei kerro juurikaan muuta, kuin että pieni muutos olo- suhteissa voi synnyttää sankankin sumun, ja että kaasun kanssa kontaktissa olevat kylmät pinnat ovat alttiita kondensaatiolle. Varsinaisen kosteusmäärän mittaami- seen tarvitaan yksiselitteinen suure, joka kertoo vesihöyryn määrän tietyllä alueella. Kosteuden siirtymisen ja systeemin tiiveyden tarkkailussa on järkevintä selvittää absoluuttinen kosteus. 2.3 Absoluuttinen kosteus Absoluuttinen kosteus AH tarkoittaa veden tiheyttä ilmassa. Se määritellään siis vesihöyryn massan ja sen täyttämän tilavuuden suhteena. Massa voidaan tarkemmin ottaen ilmaista veden moolimassan MH2O ja ainemäärän nH2O tulona [5]: AH = mvesi V = MH2O  nH2O V : (8) Yhtälössä esiintyy kaksi kaasun tilanmuuttujaa, V ja nH2O. Näistä jälkimmäistä ei voida suoraan mitata, joten se kannattaa ilmaista muiden tilanmuuttujien avulla. Sijoittamalla veden osapaineen kaava (7) ja ideaalikaasun tilanyhtälöstä (1) rat- kaistava ainemäärä veden tiheyden yhtälöön (8), saadaan absoluuttinen kosteus il- maistua vesihöyryn lämpötilan T ja suhteellisen kosteuden avulla muodossa AH(T;RH) = MH2O  pH2O(T ) RH RT : (9) Nyt AH:n määritykseen tarvitaan vakioiden lisäksi tieto lämpötilasta T ja suhteelli- sesta kosteudesta RH, jotka saadaankin helposti mitattua. Näin vesihöyryn määrän lisääntyminen ja väheneminen ilmassa voidaan selvittää kosteus- ja lämpöanturilla, olipa kyseessä sitten suljettu tai avoin systeemi. Tarvittaessa absoluuttisesta kosteudesta voidaan laskea tunnetussa tilavuudessa olevan veden massa: mvesi = AH  V: (10) Yhtälön vaatimuksena on kuitenkin se, että kaasu on termodynaamisessa tasapai- nossa kyseisessä tilavuudessa. Massasta (10) voitiin edelleen määrittää veden aine- 10 määrä nH2O = mvesi MH2O = AH  V MH2O : (11) Vesihöyryn konsentraatio lasketaan ainemäärästä [6]: cH2O = nH2O V = AH MH2O : (12) Vastaavasti suhteellisen kosteuden käyttäytyminen lämpötilan funktiona tietyllä AH-arvolla voidaan esittää ratkaisemalla RH yhtälöstä (9): RH(T;AH) = R  T  AH MH2O  pH2O(T ) : (13) 3 Ilmankosteus vaarana mikropiireille Kosteus koostuu monista vaaratekijöistä elektroniikkaa ajatellen. On välittömiä vai- kutuksia ja pitkällä aikavälillä kumuloituvia ongelmia. Jotkut haitat ovat lieviä, ja tietyt tilanteet ovat niin kriittisiä, että voivat johtaa laitteen rikkoutumiseen ja tu- lipaloon. Tällaisia ovat yleisesti oikosulut. Oikosulku syntyy, kun jännitteellisten sähköjohteiden väliin syntyy sähköä joh- tava kontakti. Tällainen kontakti on esimerkiksi kondensiovesi, johon on liuennut piirilevystä ioneja [7]. Tällaisen nopeasti syntyvän oikosulun lisäksi mm. johteiden hapettuminen pitkällä aikavälillä voi estää virrankulun haluttua reittiä, joka altistaa suurempiresistanssiset polut tarkoitustaan suuremmille virroille. Tämä voi johtaa piirin odottamattomaan kuumenemiseen, mikä voi edelleen johtaa eristekerrosten häviämiseen metallikontaktien väliltä, jolloin on vaarana oikosulku. Lämpenemistä aiheuttaa myös kapeiksi hapettuneet johtimet, sillä resistiivisyys kasvaa johtimen poikkipinta-alan kaventuessa [6]. Siten korroosio on yksi vaaratekijä sähkölaitteille. Korroosionopeus on sitä suurempi, mitä suurempi on ilmankosteus ja hapettuvien pintojen lämpötila [9]. Ilmankosteus kasvattaa myös vuotovirtaa piirilevyn eriste- kerroksen läpi. Normaalikosteudessa, eli kun RH < 70 % vuotovirta on kuitenkin yleensä alle 1 nA [1]. Ympäristön ilmankosteus ei ole kuitenkaan ainoa haittatekijä elektroniikalle. Jo piirilevyn valmistuksessa komponenttien juottamisvaiheessa levyyn sitoutu- nut kosteus voi aiheuttaa vakavia vahinkoja levylle. Vesi voi kuumetessaan rikkoa pii- rilevyn kerrosrakennetta, joka voi johtaa sähköisten kontaktien muodostumista vää- riin paikkoihin, mikä pahimmillaan aiheuttaa oikosulun. Tämän estämiseksi IPC:n ohjeistuksen mukaan piirilevyn sisältämän kosteuden osuus massaprosentteina tulisi 11 olla alle 0,1 m-% 260 °C juotoslämpötilassa ja alle 0,2 m-% 230 °C juotoslämpötilassa [10]. Jännitteellisten juotosten on huomattu kasvattavan piirilevystä pois päin ulot- tuvia ohuita kuituja, joita nimitetään tinaviiksiksi (engl. tin whiskers). Ne ovat ylis- tyneet lyijyttömien juotteiden käyttöönoton myötä, ja niitä voi muodostua mistä tahansa tinapinnotteisesta metallista. Ajan saatossa nämä pyrkivät luomaan kon- takteja lähekkäisten juotosliitosten välille piirilevyllä, mikä voi aiheuttaa oikosulun. Tinaviiksien kasvunopeutta voidaan hidastaa pitämällä juotoksia alemmassa läm- pötilassa ja suhteellisessa ilmankosteudessa [9]. Korkealla kosteudella ja lämpötilalla on myös sellaisia lievempiä haittavaiku- tuksia, jotka vaikuttavat välittömästi. Tällaisia ovat mm. puolijohteiden sähköisten ominaisuuksien, kondensaattoreiden kapasitanssien ja vastusten resistanssien muu- tokset. Kun nämä muuttuvat, myös laitteen toiminta voi muuttua. Erityisen tarkkaa tämä on vaativissa mittalaitteissa, mutta komponenttien ylimitoittuminen voi joh- taa myös muunlaisten laitteiden ylikuumenemiseen tai laitteen vioittumiseen. Eri- tyisen vahvasti kosteuteen reagoi juurikin kondensaattorit. Kosteus vaikuttaa sekä niiden dielektriseen vakioon, että niiden vuotovirran suuruuteen [1]. 4 Kosteudentorjuntakeinot 4.1 Vesitiiveys Ajan saatossa ja erityisesti elektroniikan valmistuksen lisääntyessä kosteuden torju- misesta on tullut entistä tärkeämpi huolenaihe. Sen torjumiseksi on kehitetty monia yksinkertaisia keinoja, jotka toimivat yleisimmissä tuoteratkaisuissa. Yksinkertai- simmillaan puhutaan saumojen tiivistämisestä, mutta monissa tilanteissa on syytä huomioida myös tilanteet, joissa kosteutta voi syntyä tiivistetyn laitteen sisäpuolella. Tässä osiossa käydään läpi kosteudentorjuntakeinoja, ja niiden toiminta perustellaan yksinkertaisilla fysiikan ilmiöillä. Yleensä kosteudelta suojattavat laitteet ympäröidään jonkinlaisella kuorella, jo- ka estää vähintäänkin nestemäisen kosteuden pääsyn sisäpuolelle. Mahdollisimman tiiviin kuoren saa helpoiten tehtyä minimoimalla tiivistettävien saumojen lukumää- rän. Tämä onnistuu käyttämällä mahdollisimman vähän osia. Kaikkein tiivein olisi kiinteä täysin yhtenäinen yhden kappaleen muodostama kuori, kuten hehkulam- pun lasikupu. Erilaisissa rajapinnoissa kohtaa yleensä materiaalit, joilla on hyvinkin erilainen nanorakenne, ja siten yhtymäkohtiin jää helposti mikroskooppisia rakoja. 12 Sopivissa olosuhteissa veden kaltaiset pienet molekyylit voivat läpäistä vastaavia ra- koja, joskin hyvin hitaasti. Onneksi täysin yhtenäisten kuorien valmistaminen ei ole kuitenkaan juuri koskaan tarpeellista, eikä tuotteen toiminnallisuuden vuoksi edes toivottavaa [7]. Monet laitteet edellyttävät tiiveyden lisäksi erilaisia liitosmahdollisuuksia ja lä- pivientejä. Periaatteessa näiden tiivistämiseen on sovellettava samoja periaatteita, kuin edellä mainituissa kuoren osien liitosten tiivistämisessä. Läpivienneistä vede- tään usein johtoja, joiden eristepinta on tuotteen kuorta pehmeämpää materiaalia. Näin johto itsekin voi toimia tiivisteenä, kun sitä ympäröi hieman tiiviimpi mukau- tuva materiaali, joka on edelleen kantta pehmeämpää. Pääajatus tiivistämisessä on, että rajapintojen muodostavat materiaalit ovat kovuudeltaan sopivasti erilaisia. Kannattaa huomioida, että tiivisteen ei välttämättä aina tarvitse olla kiinteää. Joissain tapauksissa, kuten monissa laakeroinneissa, rasvapohjainen fluidi on äärim- mäisen hyvä eriste vettä vastaan. Vesi ei sekoitu rasvaan, sillä rasvat ovat yleisesti hydrofobisia materiaaleja [11]. Niistä erityisesti vaseliini mukautuu loistavasti pie- niin uriin pysyen samalla yhtenäisenä eikä vuoda pois tiivistettävästä välistä. Tämä juontuu sen osittain kiteytyneestä rakenteesta [12]. Hyvinä esimerkkeinä vaseliinin kaltaisten liitosrasvojen käyttökohteista ovat kierteelliset läpivienti- ja tulppauslii- tokset, jotka ovat yleisiä myös elektroniikan tuotteissa [7]. Joissain tuotteissa voi syntyä suuriakin yli- tai alipaineita. Suljetussa systeemissä ylipaine voi syntyä ilman nopeasta kuumenemisesta ja alipaine sen viilenemisestä. Veden osapaine kasvaa suljetun tilan lämpötilan kasvaessa, mikä vaikuttaa korotta- vasti suhteelliseen kosteuteen ja on siten huono asia. Hyvä puoli lämpötilan nousussa on se, että se myös korottaa veden kyllästysosapainetta huomattavasti nopeammin kuin veden osapainetta. RH siis pienenee lämpötilan noustessa, kuten seuraavaksi todistetaan. Kuvaaja 3 esittää kyllästysosapaineen riippuvuutta lämpötilasta. Samassa on esitetty myös suhde pH2O T , jotta nähdään lämpötilan kokonaisvaikutus esimerkiksi RH-arvoon kaavassa (13). Kuvasta nähdään, että esimerkiksi lämpötilan nousu ar- vosta T = 20 °C arvoon T = 40 °C kasvattaa kyllästysosapaineen kolminkertaiseksi. Ideaalikaasun tilanyhtälön (1) perusteella paineen muutos on suoraan verrannollinen lämpötilan muutokseen, ja Daltonin lain (5) mukaan kokonaispaine on osapaineiden summa, joten osapaineen kasvun kertoimeksi voidaan laskea pH2O, korkea pH2O, matala = Tkorkea Tmatala  1; 07: Tämä 7 % kasvu veden osapaineessa on todellakin mitätön verrattuna kyllästysosa- 13 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 p* H 2 O [k Pa ] p* H 2 O/ T [k Pa /K ] Lämpötila [°C] Veden teoreettinen kylläinen höyrynpaine höyrynpaine p*H2O/T Kuva 3: Paine, jossa vesihöyry saturoituu, sekä sen suhde lämpötilaan. paineen 200 % kasvuun. Täten näiden vaikutusten summana suhteellinen kosteus pienenee lämpötilan kasvaessa [5]. Suhteellista kosteutta voi laskea lämpötilan nousun yhteydessä myös mahdolli- sesti muodostunut ylipaine ympäristön paineeseen verrattuna. Se pyrkii poistamaan kaasua hieman vuotavasta systeemistä ympäristöön. Vesihöyry poistuu kuivaa il- maa helpommin pienen molekyylikokonsa ansiosta, kunhan ympäristön vesihöyryn osapaine on pienempi kuin systeemissä. Näillä perusteilla lämpötilan nousu ja yli- paine suljetussa systeemissä ovat itse asiassa hyviä asioita kosteuden vähentämisen kannalta. Jos melko tiivis systeemi on alipaineistettu ympäristöönsä nähden, vallitsee dy- naaminen epätasapaino, joka pyrkii tasoittumaan. Mitä suurempi paine-ero on, si- tä nopeammin ympäristöstä vuotaa ilmaa systeemin sisään. Kuiva ilma ei haittaa, mutta samalla ympäristöstä siirtyy myös kosteutta, jos kosteuden osapaine on sisäl- lä pienempi. Veden tulon rajoittaminen on erittäin hankalaa juuri vesimolekyylien pienestä koosta johtuen. Paineen tasaamiseksi on kehitetty erilaisia huohotus- eli paineentasausventtii- lejä, jotka pitävät nestemäisen veden käytännössä kokonaan ulkopuolella päästäen vain kaasufaasin lävitseen. Tällaisessa venttiilissä avainasemassa on puoliläpäisevä kalvo, jonka toiminta perustuu mekaaniseen erotteluun ja materiaalin hydrofobisuu- 14 teen. Tiheä hydrofobinen verkko hylkii nestemäistä vettä sekä sen poolisuuden että suuren pintajännityksen vuoksi. Vesihöyryssä molekyylit ovat kuitenkin etäällä toi- sistaan, joten niillä ei ole samanlaista pintajännitystä kuin nesteellä, ja siten ne kul- keutuvat hyvinkin tiiviin verkkorakenteen läpi vaivatta [13, 14]. Paineentasauksessa vesihöyryn kulkua ei siis voida estää huohotusventtiileilläkään. Edellä esitetyt ymäpäristöstä eroteltuun suljettuun systeemiin pyrkivät kosteu- dentorjuntakeinot ovat yksinkertaisen tehokkaita, mutta eivät aina riitä yksinään kunnolliseen kosteuden torjuntaan. Vaikka systeemi saataisiin täydellisesti suljetuk- si, vaara on silti olemassa sisäpuolella - kondensaatio. 4.2 Kondensioveden hallinta Kondensaation vaatimuksena on se, että tiivistymispinnan lämpötila on korkeintaan kaasuun sekoittuneen vesihöyryn kastepisteen suuruinen. Tiivistymispinta voin olla joko kiinteä tai nestemäinen pinta - myös ilmassa oleva suurempi epäpuhtaushiukka- nen käy. Mikäli systeemin sisällä tapahtuu lämpötilan muutoksia ajan funktiona, tai siinä on stabiili nollasta poikkeava lämpötilagradientti, on riski veden tiivistymiselle kylmille pinnoille. Sähkölaitteissa on aina osia, jotka lämpenevät resistanssin ja impedanssin vaiku- tuksesta virtojen ollessa päällä. Muuntajat ja prosessorit kuumenevat usein muita komponentteja enemmän. Toisaalta eristämättömän systeemin kuori, joka on suo- rassa kosketuksessa ympäristöön, mukailee ulkopuolen lämpötilaa. Siten aina kun ympäristön lämpötila ei kasva samaa vauhtia piirilevyn lämpötilan kanssa, kuori on piirilevyä viileämpi, ja näin kondensaatiolle altistava lämpögradientti on syntynyt. Vesihöyryn kondensoitumisen estämiseksi on onneksi olemassa kaksi keinoa. Jo- ko systeemin lämpötilaeroja on loivennettava, tai sisällä olevan ilman kosteutta on vähennettävä. Ilman kosteuden lisääntymistä voidaan hidastaa sulkemalla kuori kui- vassa ympäristössä, jossa absoluuttinen kosteus on pieni. Mitä parempi on kuoren vesitiiveys, sitä hitaammin ympäristön kosteus diffusoituu systeemin sisään. Tässä pyritään siis hidastamaan kemiallisen tasapainon syntymistä, mutta sitä on käy- tännössä mahdoton estää kokonaan ilman aktiivista vesihöyryn poistoa systeemin kaasufaasista. Aktiivinen poisto tarkoittaisi käytännössä tyhjiöpumppua, mikä olisi hyvin epäkäytännöllinen perinteiselle elektroniikalle. Passiivisena kosteudenpoistona voitaisiin käyttää jotain kemiallisesti aktiivista pintaa, joka absorboi itseensä vettä. Tämä ei olisi kuitenkaan pitkäaikaisesti huoltovapaa ratkaisu. On paljon helpompaa lähestyä ongelmaa lämpötilojen näkökulmasta. Kondensaatiota voidaan torjua pitämällä laitteista lämpönä haihtuva hukkate- 15 ho matalana ja jäähdytys kunnossa. Hukkatehon määrittää lähinnä virtapiireissä käytetyt virrat ja komponentit sekä laajemmassa mittakaavassa koko piirin suun- nittelu. Lämpöä syntyy kuitenkin aina väistämättä, nykyajan elektroniikassa vie- lä paljonkin. Tälläkin hetkellä kehitellään uusia vähemmän hukkalämpöä tuottavia komponentteja nykyisten korvaajaksi, kuten parempia passiivisia muisti- ja logiik- kakomponentteja mm. tulevaisuuden elektroniikan - spintroniikan - keinoilla [15]. Sillä välin, kun vähemmän hukkalämpöä tuottava teknologia on vasta kehitteillä, on keskityttävä enemmän viilennykseen. Lämmön tasaamiseen pääidea on tiedostaa tuotteen kuumimmat ja kylmimmät alueet, ja pyrkiä siirtämään lämpöä mahdollisimman vaivatta näiden välillä. Läm- pöä voidaan siirtää kolmella tavalla. Yksinkertaisin ja usein tehokkain tapa on läm- mön johtaminen hyvillä lämmönjohteilla. On olemassa monia sopivia tahnoja, joiden terminen resistanssi on hyvin pieni samalla kun niiden resistanssi sähkölle on erit- täin suuri [16]. Tällaisilla voidaan varmistaa laaja-alainen lämpöä johtava kontakti vaikkapa suoraan kuumasta mikroprosessorista laitteen viileään metallikuoreen. Lämpöä voidaan siirtää myös konvektiolla, eli kohdistamalla vaikkapa tuuletin puhaltamaan ilmaa kuumasta kohdasta kylmää kohti tai päinvastoin. Lämpösätei- ly puolestaan voidaan maksimoida kasvattamalla kuuman osan pinta-alaa. Tämä onnistuu venyttämällä kappaletta leveämmäksi pyrkimällä välttämään pallomaisia muotoja, nimittäin pallon pinta-alan suhde tilavuuteen on geometrisista muodoista pienin mahdollinen. Erilaiset litistettyjen muotojen yhdistelmät, kuten jäähdytysri- vastot, ovat laajapinta-alaisina kappaleina tehokkaita lämmön säteilijöitä. Tässä tut- kimuksessa käytettiin laitetta, jonka piirilevyn viilennys hoidettiin johtamalla läm- pöä kuoreen ja sen ulkopinta koostui kauttaaltaan jäähdytysrivoista. Niistä lämpö siirtyi säteilemällä ja tuulen kanssa konvektiona. Lämmön tasauskeinoista huolimatta usein lämmintä laitetta ympäröivän tiiviin kuoren sisälle muodostuu lämpötilaeroja, ja suurilla suhteellisilla kosteuksilla kon- densiovettä voi syntyä viileimpiin pintoihin. Nestemäinen vesi ei itsessään ole välit- tömäksi vaaraksi virtapiireille niin kauan, kun se ei ole kosketuksissa piirin johtavien osien kanssa. Tuote kannattaa suunnitella siis siten, että mikäli sisään pääsee vettä, sen ei anneta päästä kyseisille alueille. Kondensionvedelle voidaan rakentaa reitti, mitä pitkin se pääsee valumaan kyl- miltä pinnoilta vaikkapa laitteen pohjalle turvallisesti. Samalla virtapiirit kannattaa pitää irti pohjasta. Lämpö siirtyy ilmassa tiheyserojen ajamana yläosiin, mutta mi- käli katto-osa jää silti viileäksi, voi siitä tippua kondensiovettä alas virtapiirille. Sen estämiseksi yläosa voidaan muotoilla viistoksi, jotta vesi valuu sitä pitkin hallitus- 16 ti seinämiin. Niitä pitkin vesi voidaan johdattaa alas asti kondensiovesikaukaloihin, ja mahdollisesti poistoletkun kautta ulos systeemistä. Toisaalta vedelle alttiit osat voitaisiin suojata myös lämpimämmällä välikatoksella, mutta se ei edellä mainitun suojauksen jälkeen ole tarpeen. Vaikka yleensä kylmimmät pinnat jäävätkin tuotteen kuoreen, saattaa sellaisia löytyä myös virtapiiristä. Kannattaakin varmistaa, ettei mikään piirillä kiinni oleva osa jää liian kylmäksi kondensoitumisalustaksi suhteessa muihin osiin. Esimerkiksi sisäiset jäähdytyselementit ovat alttiita kondensaatiolle. Yksi tärkeä kondensoitu- mista vastaan käytetty suojaus on piirilevyjen suojaus hydrofobisella pinnoitteella. Usein käytetään erilaisia oksidikerroksia, jotka eivät ole poolisia eivätkä siten ve- dä poolista vettä puoleensa. Lisäksi sellaiset suojaavat myös pölyltä, mikä vähen- tää palonsyttymisriskejä. Pinnoittamattomat metallit vetävät hieman hydrofiilisinä pintoina vettä puoleensa, vaikkei niillä olekaan vastaavaa kemiallista polaarisuutta. Niissä vetovoiman aiheuttavat dispersiovoimat, joiden myötä vesi levittäytyy katta- vasti koko metallialueen pinnalle [13]. Hyvin hydrofobisten (engl. Super hydrophobic, SHO) pintojen, joilla vesipisara muodostaa yli 150°kontaktikulman pinnan kanssa, käyttö on hieman yleistynyt mm. mobiililaitteissa. SHO-pinnoitteella luvataan usein jopa 30 min käyttöaika veden alla, korkeintaan 1,5 m syvyydessä. Niiden valmistus on kuitenkin toistaiseksi melko kuormittavaa ympäristölle, eikä niitä siten käytetä vielä suuremmassa mittakaavassa laajasta käyttökohteiden kirjosta huolimatta [13]. 5 Kotelon tiiveyden määrittäminen lämpötilasta ja ilmankosteudesta 5.1 Teoreettinen malli 5.1.1 Vuodot ympäristön ja systeemin välillä Systeemin muodosti tässä tutkimuksessa ICON-nimisen kuitusolmutuotteen sisäosa ja koko ulkokuori. Systeemi, sen tärkeimmät fysikaaliset suureet ja niihin vaikutta- vat tekijät on koottu yhteen havainnekuvassa 4. Siinä Q viittaa lämpöön, jota syntyy ICON:in sisällä ja siirtyy johtumalla kuoren ja ympäristön välillä. Samoin kuivaa ilmaa nkuiva ja kosteutta nH2O liikkuu diffuusiona. Se on hiukkasten siirtymistä pai- kasta toiseen missä tahansa faasissa satunnaiskulkuna, johon vaikuttaa konsentraa- tiogradientti. Kosteus voi systeemissä esiintyä edelleen piirilevyyn ja tiivisteisiin si- toutuneena, nestepisaroina ja kaasuna ilmassa. Näiden osuudet reagoivat systeemin 17 Systeemi Tuuli NH2O NH2O(neste) NH2O(kaasu) Nkuiva NH2O(sitoutunut) Q p, T, V Aurinko Q Q Sade Q NH2O Q Ympäristö Kuva 4: Systeemi, sen tilanmuuttujat ja niihin vaikuttavat tekijät. tilanmuuttujien vaihteluihin ja hakeutuvat jatkuvasti kohti uutta tasapainoa. Mikäli ICON olisi täysin suljettu systeemi, ei sen ja ympäristön välillä siirtyi- si muuta kuin lämpöä. Ideaalitilanteessa tämä tarkoittaisi, että ideaalikaasun tila- nyhtälössä (1) ainoat muuttuvat parametrit olisivat toisiinsa suoraan verrannolliset paine p ja lämpötila T , jolloin paine laskettaisiin suoraan kaavasta p = p0 T0  T; (14) missä p0 ja T0 ovat paineen ja lämpötilan arvot alkuhetkellä. Ideaalitilanteessa voitaisiin mitata ajan funktiona esimerkiksi kuvan 5 mukaiset käyrät lämpötilalle ja siitä ideaalisesti riippuvalle kaavalla (14) lasketulle paineelle. Kuvassa näkyy myös todellinen sisäpaine, joka poikkesi selvästi ideaalitilanteesta. Ideaalitilanteessa sisäpaine kasvaisi ylipaineeksi samaa tahtia kuin lämpötilakin laitteen käynnistyttyä. Todellisuudessa sisäpaine pyrkii tasoittumaan kohti ympäris- tön ilmanpainetta, mikä todistaa painevuodon. Itse asiassa kuvan 5 mukaan sisä- ja ulkopaine näyttäisivät olevan hetkellisesti tasapainossa tilanteessa, jossa sisäanturi näyttää hieman ulkoanturia pienempää arvoa. Näin käy kuvaajassa aikavälillä 15 h 18 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 0 5 10 15 20 5 10 15 20 25 30 Ilm an pa in e (k Pa ) Lä m pö til a (° C) Aika (h) Systeemin lämpötila ja paine ajan funktiona ideaalitilanteessa ideaali sisäpaine mitattu sisäpaine ympäristön paine sisälämpötila Kuva 5: Esimerkkimittaus, joka osoittaa systeemin vuotavan painetta.  t  16 h, jolloin lämpötila pysyy lähes vakiona. Tämä johtuu painemittareiden välisestä pienestä kalibrointierosta. Vaikka ICON olisi likimain suljettu, kosteutta voi siirtyä systeemin sisäilmaan monilla eri mekanismeilla. Kuten vesihöyryäkin, myös kuivaa ilmaa voi jotain reittiä pitkin vuotaa ympäristöstä systeemiin, mikä myös vaikuttaa systeemin tilaan. Yk- sinkertaisimmin vuoto voidaan havaita paineen muutoksena systeemissä ilman että se johtuisi systeemin lämpötilanmuutoksesta. Toisin sanoen ideaalikaasun tilanyh- tälö (1) saadaan pitämään paikkaansa vain, jos systeemiin tuodaan lisää kaasua, eli jos systeemissä hiukkasmäärän muutos n =  pV RT (15) poikkeaa nollasta. Lyhyellä aikavälillä varsinkin lämpötilan muuttuessa nopeasti on oletettavissa mittareista aiheutuvaa kohinaa, joten tarkemman tuloksen saamiseksi muutosta kannattaa seurata pidemmällä aikavälillä. Pelkästä kaasun ainemäärän muutoksesta ja paineen tasautumisesta ei voida sa- noa, kuinka suuri osa siitä aiheutui kosteuden siirtymisestä, tai miten kosteutta siirtyi. Kuiva ilma ja vesihöyry vuotavat systeemin ja ympäristön välillä diffuusio- na eri nopeuksilla, sillä niiden konsentraatiogradientit ja osapaineet ovat erit, ja diffuusio riippuu muistakin diffusoituvan aineen ominaisuuksista. Näitä käsitellään 19 tarkemmin myöhemmin. Siten kaavalla (15) voidaan määrittää vain ilmaseoksen ai- nemäärän muutosnopeus kokonaisuudessaan. Senkin arvo voi vaihdella epälineaari- sesti, kun osa ilman kaasukomponenteista saavuttaa tasapainonsa nopeammin kuin toiset. On hyvin mahdollista, että systeemin ja ympäristön rajapinnassa olevassa kuo- ressa on mikrohalkeamia. Ne mahdollistavat kapillaari-ilmiön ja siten veden nopean imeytymisen syvemmälle kuoreen ja sen läpi. Myös materiaalien rajapinnat, esimer- kiksi tiivistetyissä alueissa ja läpivienneissä, tarjoavat helposti mikrotasolla kanavia, joita pitkin kosteus kulkeutuu sisään tai ulos. Ne voivat toimia myös hyvinä kon- densoitumispintoina. Vesihöyry voi myös diffusoitua läpi kaikista vähänkään huokoi- sista materiaaleista, joiden rakenteeseen taipuu vähintään vesimolekyylin suuruisia kulkureittejä. Sitä, kuinka nopeasti diffuusiota tapahtuu, on kuitenkin suhteellisen haastavaa mallintaa tarkasti, sillä se riippuu monesta eri tekijästä [7]. Ohuissa materiaaleissa, kuten muovikalvoissa, kosteus diffusoituu suhteellisen no- peasti kalvon läpi korkeammasta pitoisuudesta pienempään, kunnes kemiallinen ta- sapaino saavutetaan. Paksumpien kappaleiden läpäisy kestää huomattavasti pidem- pään, sillä kosteuden tasapainon saavuttamiseen kuluva aika on suoraan verrannol- linen kappaleen paksuuden neliöön. Monissa tapauksissa tähän voi kulua jopa useita vuosia [7]. Diffuusionopeutta seinämän läpi, eli absorptio- ja desorptionopeutta, kasvattaa suuremmat konsentraatioerot seinämän eri puolilla, ohuempi läpäistävä seinämä, korkeampi lämpötila ja diffusoituvien hiukkasten pienempi koko. Vesimolekyylit ovat tyypillisesti ulkoilman pienimpiä hiukkasia, joten ne läpäisevät lähes kaiken minkä kuiva ilmakin läpäisee. Lisäksi materiaalille ominainen läpäistävyys ja läpi kulkeu- tuvien hiukkasten kemia vaikuttavat diffuusion nopeuteen [17]. Edellä luetellut ominaisuudet eivät suinkaan ole yksiselitteisiä, vaan voivat vie- lä reagoida seinämään imeytyneen kosteusmäärän muutokseen. Kosteuden adsorptio pinnalla ja absorptio syvemmällä saattavat nimittäin aiheuttaa materiaaliin reversii- beleitä tai kemiallisia irreversiibeleitä muutoksia, kuten korroosiota. Lisäksi osmoosi ja seinämän turpoaminen ovat mahdollisia materiaalista riippuen [7]. Korkean lämpötilan lisäksi myös lämmön gradientti läpäistävässä seinämässä edesauttaa aineen diffuusiota. Jos kuoren sisäpinta on lämpimämpi kuin ulkopin- ta, terminen diffuusio pyrkii muodostamaan termisen tasapainon siirtämällä läm- pöä diffusoituvilla hiukkasilla lähemmäs viileätä ympäristöä. Tämä johtaa suurem- pimassaisten hiukkasten diffusoitumiseen kohti viileyttä ja kevyempien hiukkasten diffuusioon lämpöä kohti. Vesimolekyylit pienen kokonsa vuoksi ajautuvat siten läm- 20 pöä kohti, vaikka se johtaisi konsentraatio- ja osapaine-eron kasvamiseen [18]. Mikrotasolla terminen diffuusio perustuu massan lisäksi mm. hiukkasen, kokoon ja hiukkasten välisiin vuorovaikutuksiin [18]. Yksinkertaistaen, poispyrkivät pieni- massaiset vesimolekyylit kimpoavat suurempimassaisista typpi-, ja happimolekyy- leistä takaisin korkeamman paineen suuntaan pienen liikemääränsä vuoksi. Termistä diffuusionopeutta pinta-alayksikön läpi kuvataan kaavalla dJ dt = DkT c T dT dx ; (16) missä D on diffuusiokerroin, T lämpötila, c diffusoituvan aineen konsentraatio, dTdx lämpötilan gradientti ja kT terminen diffuusiosuhde, joka riippuu mm. diffusoituvien molekyylien kokosuhteista ja lämpötilasta. Termisen diffuusion voimakkuus on siis suoraan verrannollinen lämpötilagradientin ja lämpötilan suhteeseen, joten suurem- missa lämpötiloissa saman gradientin vaikutus on pienempi [18]. Siten se havaitaan parhaiten kylmissä olosuhteissa. Kokonaisdiffuusio on termisen (16) ja kemiallisen (4) diffuusion summa: dJ dt kokonais = dJ dt kemiallinen + dJ dt terminen = D  dc dx + kT T dT dx  : Tilanteessa, jossa paine-ero systeemin ja ympäristön välillä johtuu lämpötilan muu- toksesta, paineen ja lämpötilan gradientit ovat samansuuntaiset. Tällöin terminen diffuusio voi vaimentaa vesihöyryn ja voimistaa kuivan ilman kemiallista diffuusiota. Tässä tutkimuksessa termisen diffuusion oletettiin pysyvän pienenä verrattuna kosteuskonsentraation diffuusioon, sillä alumiinikuori tasoittaa lämpögradientit mel- ko nopeasti johtaen lämpöä ICON:in ja ympäristön välillä. Seuraavaksi pohditaankin vain kemiallisen diffuusion voimakkuutta ympäristön ja systeemin välillä ICON:in tapauksessa. Alumiinikuori on hyvin tiivis, eikä vesi pääse juurikaan diffusoitumaan sen läpi. Jo pelkkä alumiinifolio estää hyvin diffuusion [17], joten ICON:in noin senttimet- rin paksuisen alumiinikuoren läpäisy on erittäin vaivalloista. Tiivisteet sen sijaan ovat huokoisempaa materiaalia, silikonia, joten suurin diffuusio tapahtuu niiden lä- pi. Myös läpiviennit voivat vuotaa sekä läpi vietyjen johtojen sisäosista että kiinni- tyksen ulkopuolelta. Kiinnitys oli tehty kierteillä, ja niitä tiivistävinä materiaaleina oli käytetty NBR-, eli nitriilikumitiivisteitä sekä liitosrasvaa. Vaikka diffuusion simu- lointi huokoisten tiivisteiden läpi onkin suoraviivaista, diffuusiolakiin (2) sellaisenaan on hankalaa sijoittaa mitattavia koetuloksia. Muuttujan dJ suuruutta ei pystytä suoraan mittaamaan. Se voidaan kuiten- kin esittää ainemäärän muutoksen suhteena poikkipinta-alaan, jonka diffusoituvat 21 hiukkaset läpäisevät: dJ = dn A : (17) Jos systeemin sisäilman ainemäärämuutos ja vuotokohdan pinta-ala ovat tiedossa, voidaan niistä laskea vuoto, eli diffuusio ympäristöstä systeemiin. Ainemäärämuutos dn lasketaan paineen ja lämpötilan suhteen muutoksen perusteella kaavalla (15). Näin saadaan kostean ilman ainemäärän muutosnopeudeksi dn dt = d dt  p T   V R : (18) Sisäpaineen ja -lämpötilan muutoksista ajan suhteen voidaan yhtälöllä (18) mää- rittää kostean ilmaseoksen ainemäärän muutosnopeus ICON:in sisällä systeemin ja ympäristön paine-eron funktiona. Se ei silti yksinään kerro vuotoa, sillä absoluutti- seenkin kosteuteen vaikuttaa moni muukin tekijä samaan aikaan, kun sitä vuotaa kuivan ilman mukana ympäristön ja ICON:in välillä. Kuivan ilman konsentraatioon sen sijaan vaikuttaa käytännössä vain vuoto. Siten kuivan ilman vuotonopeus voi- daan kaavojen (1) ja (5) perusteella määrittää ICON:ille ilmaseoksen ja kosteuden muutosnopeuksien erotuksena dn dt kuiva ilma = dn dt ilmaseos dn dt kosteus : (19) Kosteuden ainemäärä ilmaistiin absoluuttisen kosteuden avulla kaavalla (11), jolloin kaavoista (18) ja (19) saatiin dn dt kuiva ilma = V R  d dt  psisä Tsisä  V MH2O  dAH dt ; josta kuivan ilman vuotonopeudeksi tilavuusyksikköä kohden, eli konsentraatiomuu- tokseksi, saatiin dc dt kuiva ilma = 1 R  d dt  psisä Tsisä  1 MH2O  dAH dt : (20) Paineet ja lämpötilat saadaan mittauksista, ja dAHdt lasketaan suoraan yhtälöstä (9). Vesihöyryn tapauksessa vuoto dnH2O voidaan ilmaista edelleen helpommin ym- märrettävän muuttujan - absoluuttisen kosteuden - muutoksena käyttäen kaavaa (11). Siten yhtälö (17) saadaan muotoon dJH2O = dnH2O A = V AMH2O  dAH: (21) 22 Absoluuttinen kosteus AH voidaan laskea lämpötiloista ja ilmankosteuksista kaa- valla (9) Diffuusion mallinnusta voidaan approksimoida siten, että kosteuskonsentraation oletetaan koko ajan olevan lineaarinen matkalla paikasta x1 suuremman konsentraa- tion pisteeseen x2. Tämä näytettiin myös kuvassa 2. Siten konsentraatiogradientti voidaan esittää vakiona koko läpäistävän materiaalin paksuudella x: dcH2O dx  cH2O(x2) cH2O(x1) x : (22) Tällä oletuksella Fickin ensimmäinen diffuusiolaki (2) voidaan esittää yhtälöillä (21) ja (22) ainemäärämuutosnopeutena muodossa dAH dt = MH2O V DA x  [cH2O(x1) cH2O(x2)]: (23) Aiemmin kaavassa esiintyneestä miinusmerkistä päästiin eroon kääntämällä konsent- raatioiden erotus. Nimetään selkeyden vuoksi uusi muuttuja X  MH2O V DA x ; (24) joka kuvaa veden diffuusionopeutta tietyn kappaleen sisällä. X on vakio, jos myös muuttujat D, A ja x pysyvät kappaleessa vakioina. Ilman absoluuttisen kosteuden muutosnopeus dAHdt on X:llä ilmaisten dAH dt = X  [cH2O(x1) cH2O(x2)]: (25) Tällä tavoin esitettynä kosteuden diffuusio systeemin ja ympäristön välillä tiivistei- den läpi Henryn lakia (4) hyödyntäen on dAH dt tiiviste = MH2O V DtiivisteAtiiviste xtiiviste  (cH2O, ulkopinta cH2O, sisäpinta) = Xtiiviste  Stiiviste  (pH2O, ulko pH2O, sisä): (26) Vesihöyryn paine lasketaan ilman suhteellisesta kosteudesta ja lämpötilasta kaavalla (7), eli pH2O, sisä = RHsisä  pH2O(Tsisä) ja pH2O, ulko = RHulko  pH2O(Tulko). Koska diffuusio on suoraan verrannollinen läpäistävien materiaalien poikkipinta- alaan, eri pintoja läpäisevät diffuusiovaikutukset systeemiin summautuivat keske- nään. AH  J , joten myös absoluuttisen kosteuden muutosnopeudet (25) ovat ad- ditiivisia: dAH dt kaikki = X i  Xi  (cH2O,xi cH2O, systeemi)  = X i (Xi  cH2O,xi) cH2O, systeemi  X i Xi: (27) 23 Kaikki absoluuttista kosteutta muuttavat termit voitiin siis lopulta summata hel- posti yhteen. Absoluuttista kosteutta muuttivat vuodot sekä tiivisteen että mikrorakojen lä- pi. Mikrorakojenkin vaikutusta voitiin mallintaa diffuusion kaavalla (2), sillä kaasut siirtyivät niidenkin kautta saman diffuusio-ilmiön takia, vaikkakin helpommin kuin tiheän molekyylirakenteen lävitse. Tässä tutkimuksessa oltiin kiinnostuneita vuoto- jen yhteisvaikutuksesta, joten vuotonopeudeksi summattiin yhtälön (27) avulla dAH dt vuoto = dAH dt tiiviste + X dAH dt rako = (Xtiiviste +Xraot)  (cH2O, ulkopinta cH2O, sisäpinta) = Xvuoto  Stiiviste  (pH2O, ulko pH2O, sisä): (28) Etsimällä mittausdatasta ajanjakson, jossa ympäristöolosuhteet ja siten myös pH2O, ulko pysyvät likimain muuttumattomina, voidaan ajanjaksoon sovittaa suoran yhtälö dAH dt = C1  pH2O, sisä + C0: (29) Silloin funktion dAHdt (pH2O, sisä) kulmakerroin C1 = XvuotoStiiviste ja pystyak- selin leikkauspiste C0 = XvuotoStiivistepH2O, ulko. Jos suoraa ei muodostu, täytyy cH2O, ulkopinta, cH2O, sisäpinta, Stiiviste tai D-kertoimien muuttua alkuoletusten vastaises- ti, tai sitten systeemin vesihöyrykonsentraatioon AH vaikuttaa jokin muukin ilmiö. Yksi mahdollinen tekijä on ICON:in kiinteisiin osiin sitoutuneen veden desorptio ilmaan systeemissä. 5.1.2 Sitoutuneen veden desorptio ICON:issa on tiiviin metallin lisäksi myös huokoisia materiaaleja, ja niihin on toden- näköisesti ajan saatossa absorboitunut kosteutta. Tällaisia ovat erityisesti piirilevy ja tiivisteet. Piirilevy voi sisältää paljonkin kosteutta. Sitä voi olla jo valmiina piirilevyn val- mistusvaiheessa käytetyissä materiaaleissa, tai sitä voi imeytyä kesken valmistuksen ja erityisesti tämän jälkeen varasto-olosuhteissa. Piirilevyjä on erityyppisiä, kuten keraamisia, silikoni-hartsi-, fenoli- ja epoksi-lasikuitusubstraatteja. Lasikuituun pe- rustuvat ovat näistä yleisimpiä. Lisäksi levyihin seostetaan muita aineita mm. pa- loturvallisuden ja mekaanisen rasitussietokyvyn parantamiseksi. Substraattien pin- nalle lisätään metallikontaktit ja johdeväylät, jotka ovat yleensä kuparia. Metalli- kerroksia on usein useita, ja niiden välillä on substraattimateriaalia. Päälimmäisenä 24 on vielä suojakerros, joka torjuu metallien hapettumista ja piirin kostumista. Imey- tynyt kosteus sijaitsee yleensä polaarisessa hartsissa, sen ja lasikuidun rajapinnoilla sekä mikrohalkeamissa [19]. Kosteuden desorptiota piirilevystä systeemin sisäilmaan alkaa tapahtua, kun RH on piirilevyn materiaalikohtaista veden aktiivisuutta Aw pienempi. Kun RH = Aw, veden osapaine on sama sekä ilmassa että kiinteän materiaalin sisällä. Jos taas RH > Aw, materiaali absorboi kosteutta itseensä, ellei se ole jo kyllästetty vedestä [5]. Sekä absorptio että desorptio voidaan selittää vesimolekyylien diffuusiona kiinteän materiaalin sisällä sekä pinnan ja kaasun välillä. Näistä kahdesta nopeutta rajoittaa eniten materiaalin sisäinen diffuusio, joka voi olla hyvinkin hidas prosessi [10]. ICON:in tapauksessa desorptiota kiihdyttää eksponentiaalisesti piirilevyn reilu lämpeneminen verrannollisuuden (3) mukaisesti. Siltikin kosteuden desorptio halut- tuun prosenttiosuuteen kestää pitkään: levyjen kuivatuksessa 125 °C kuumakäsitte- lyssäkin on kyse sadoista tunneista [10]. Piirilevyjen kerrosrakenne on yksi diffuusiota hidastava tekijä. Levy koostuu FR- 4 komposiittimateriaalista sekä kuparilevyistä. Diffuusio metallien läpi on erittäin hankalaa, joten vesi jää niin ikään jumiin kupareiden väliin. Käytännössä vesi joutuu tällöin kulkemaan moninkertaisen matkan FR-4 komposiitissa päästäkseen desorp- toitumaan ilmaan [10]. Fickin ensimmäisen diffuusiolain (2) mukaisesti jo diffusoi- tumismatkan x kaksinkertaistuminen puolittaa diffuusionopeuden, jolloin matkaan kuluva aika kaksinkertaistuu. Tämän perusteella kosteuden poistumista voidaan no- peuttaa merkittävästi kasvattamalla kuparilevyjä läpäisevien reikien tiheyttä ja suu- ruutta [10]. FR-4 tyyppisellä piirilevymateriaalilla veden diffuusiokertoimelle on käytetty joissain kuivatussimulaatioissa arvoa 0,25 m2s1 lämpötilassa 20 °C. 125 °C läm- pötilassa arvo on jo 33 m2s1 [10]. Artikkelin [19] kokeissa tyypin FR-4 piirilevyillä laskettiin diffuusiokertoimelle 50 °C lämpötilassa arvoja väliltä 0,7 - 0,9 m2s1 ym- päristön kosteuden ollessa 50 % ja 0,9 - 1,3 m2s1 ilmankosteudella 85 %. Näissä siis tutkittiin veden absorboitumista, eikä se anna niin hyvää kuvaa desorptioon liittyvästä diffuusiosta kuin edellisen artikkelin kertoimet pintakerrosten nopeam- masta kostumisesta ja epätasaisesta kosteusgradientista johtuen. Tässä tutkielmas- sa tehdyissä kokeissa lämpötila tosin oli korkeimmillaankin alle 60 °C. Näiden pe- rusteella piirilevyn diffuusiokertoimen voitiin tässä olettaa olevan suuruusluokaltaan 0; 1  DPCB  10 m2s1. Desorptionopeutta piirilevyn keskeltä sen ulkopintaa kohti voitiin mallintaa dif- fuusiokaavalla (23). Koska sitoutunutta kosteutta poistui samanaikaisesti levyn mo- 25 lemmilta puolilta, käytettiin kaavassa diffuusiomatkana xpiirilevy puolta levyn pak- suudesta. Pinta-ala Apiirilevy tarkoittaa levyn molempien puolien yhteenlaskettua pinta-alaa. cH2O, piirilevy oli kosteuskonsentraatio piirilevyn keskellä, ja cH2O, levypinta oli sisäilman vesihöyryn osapaineen kanssa tasapainossa oleva konsentraatio piirile- vyn pinnalla. Näin saatiin piirilevyyn sitoutuneen veden desorptionopeuden yhtälö, ja se sievennettiin muuttujaksi Xpiirilevy kaavalla (24): dAH dt piirilevy = MH2O V   Dpiirilevy  Apiirilevy xpiirilevy   (cH2O, piirilevy cH2O, levypinta) = Xpiirilevy   cH2O, piirilevy SpiirilevypH2O, sisä  = XpiirilevySpiirilevypH2O, sisä +XpiirilevycH2O, piirilevy: (30) Todellisuudessa konsentraatiogradientti ei ollut aina tasainen, vaikka edeltäväs- sä yhtälössä niin oletettiinkin. Kun piirilevy absorboi kosteutta, levyn keskikohta reagoi kosteusmuutoksiin viimeisenä ja hitaimmin verrattuna kerroksiin lähempänä pintaa. Siten tilanteessa RH < Aw suurin kosteuskonsentraatio saattoi pitkään olla lähellä pintaa ja desorptio odotettua nopeammin, ennen kuin konsentraatiogradient- ti tasoittui enemmän suoraksi. Parhaiten funktion dAHdt (pH2O, sisä) pitäisi muistuttaa suoraa silloin, kun RH on ollut pitkään piirilevyn Aw-arvoa matalampi, eli yhtä- jaksoista desorptiota on kestänyt kauan [10]. Absorptiota ICON:in piirilevyssä ei pitäisi normaalisti juurikaan tapahtua, sillä sisälämpötila oli ympäristön lämpötilaa huomattavasti suurempi, minkä vuoksi RH oli pienempi. Kun otettiin huomioon vuodot ympäristöstä kaavalla (28) ja desorptio piirile- vystä (30), saatiin absoluuttisen kosteuden muutosnopeudeksi dAH dt = dAH dt vuoto + dAH dt piirilevy = (XvuotoStiiviste +XpiirilevySpiirilevy)  pH2O, sisä +XvuotoStiivistepH2O, ulko +XpiirilevycH2O, piirilevy (31) Systeemin rakenteisiin sitoutuneen veden desorptionopeus pysyy hitautensa vuoksi pitkään tasaisena, eikä siten poikkeuta suoraa dAHdt (pH2O, sisä). Mittauksis- sa voitiin kuitenkin havaita nopeitakin poikkeamia, ja niihin voi löytyä selitys veden olomuodonmuutoksista systeemin sisällä. 5.1.3 Veden haihtuminen ja kondensoituminen Haihtuminen tarkoittaa vesimolekyylien poistumista nesteestä yläpuoliseen kaasuun höyrystymällä. Sen nopeus on suoraan verrannollinen absoluuttisen kosteuden gra- 26 dienttiin ilmassa aina pisaran pinnalta lähtien sekä ilman vaihtuvuuteen, kuten tuu- leen, faasien rajapinnassa. ICON:in sisällä ei selkeästikään tuule, joten siellä ilman vaihtuminen oli rajoittunut pelkkään diffuusioon [20]. Täten haihtumisnopeuttakin voitiin mallintaa diffuusion kaavalla (2). Haihtumisella on kuitenkin kaksi suurta eroavaisuutta verrattuna aiempiin diffuusiolla mallinnettuihin ilmiöihin. Suurimpana erona aiempiin ilmiöihin verrattuna, pienen nestemäärän haihtu- misessa diffuusiogradientti ei ole aina esitettävissä yhdessä ulottuvuudessa dcH2O dx . ICON:in sisään voi päätyä nestemäistä vettä vain kondensiona tai kannen ollessa auki esimerkiksi vesisateessa, joten veden määrä ICON:issa oli minimaalinen. Siten se esiintyi vain pisaroina. Niistä haihtuva kosteus diffusoitui eri puolille kolmessa ulottuvuudessa, sillä kosteusgradientti on rcH2O = dcH2Odx + dcH2O dy + dcH2O dz . Toinen suuri poikkeavuus aiempiin diffuusioilmiöihin verrattuna oli se, että faa- sirajan pinta-ala ei pysynyt vakiona - veden haihtuminen kutisti pisaroita jatkuvasti. Artikkelissa [21] on määritetty kokeellisesti, että pienen pisaran haihtumisnopeus on suoraan verrannollinen sen säteeseen: dAH dt haihtuva  dn dt haihtuva  Apisara dxhaihtuva  R 2 pisara Rpisara = Rpisara: (32) Kylläisen ilman kosteuskonsentraatio saatiin sijoittamalla absoluuttisen kosteu- den laskukaava (9) konsentraation yhtälöön (12): cH2O, kylläinen(T ) = pH2O(T ) RT : (33) Merkitsemällä Xhaihtuva(t)  MH2OV Dhaihtuva Rpisara(t) haihtumisnopeus voitiin yhtä- lön (33) ja verrannon (32) avulla esittää muodossa dAH dt haihtuva (t) = MH2O V Dhaihtuva Rpisara(t)  [cH2O, kylläinen(Tpisara) cH2O, sisäilma] = Xhaihtuva(t)   pH2O(Tpisara) RTpisara pH2O, sisä RTsisä  : (34) Kokeellisissa mittauksissa, joissa haihtuminen tehostuu lämmityksellä ja joissa AH muuttuu paljonkin, haihtumisnopeus (34) on parempi ilmaista epämääräisesti ajan funktiosta Rpisara(t) riippuvana terminä. Haihtumisnopeuden kannalta on myös merkityksellistä, onko haihtuva vesi hydrofiilisella vai hydrofobisella pinnalla. Alumiininkuoren havaittiin olevan hydro- fobinen, sillä sen pintaan muodostui suuriakin vesipisaroita melko suurella kontakti- kulmalla pintaan nähden - pisarat muistuttivat puolipalloja. Tällöin pisaroiden ala on pieni, ja niistä haihtuu vettä hitaampaa kuin haihtuisi hydrofiiliselta pinnalta, johon vesi levittäytyisi ohuemmaksi kerrokseksi. 27 Veden kondensoituminen on myös ilmiö, jonka vauhtia rajoittaa vesihöyryn dif- fuusio ilmassa. Erona edelliseen, kondensoituminen tapahtuu viileillä alueilla, kun taas haihtuminen on runsainta lämpimillä pinnoilla. Molemmat voivat tapahtua sa- manaikaisesti eri puolilla ICON:ia, mikäli systeemissä on suuri RH ja viileitä pin- toja. Kondensoituminen ei myöskään ole niin lokaalia kuin pisaroiden haihtuminen. kondensoitumista tapahtuu samanaikaisesti koko viileän pinnan alueella eikä vain pisteittäin. Siten kondensoitumisnopeus ei riipu pisaroiden säteistä, vaan kastepis- tettä viileämmän pinnan alasta Aviileä(t). Sen laajuus kuitenkin vaihtelee paljonkin ajan kuluessa, eikä sille kannata laatia kaavaa. Kondensaation nopeutta voidaan jälleen mallintaa diffuusion kautta Fickin lail- la (2), johon sisältyy pinta-alariippuvuus. Tässä konsentraatioina käytetään kylmää pintaa vasten olevan kylläisen vesihöyryn konsentraatiota cH2O, kylläinen (33) ja il- masta etäisyydeltä x mitattavaa konsentraatiota cH2O, systeemi. Siten kondensaatio tuottaa kosteudenmuutoksen yhtälöön (31) lisätermin dAH dt kondensio (t) = MH2O V  Dkond xkond  Aviileä(t)  [cH2O, sisäilma cH2O, kylläinen(Tpinta)] = Xkond(t)   pH2O, sisä RTsisä p  H2O (Tpinta) RTpinta  : (35) pH2O, sisä-termi on tässä negatiivinen, toisin kuin haihtumisessa ja ympäristöstä saa- puvassa diffuusiossa, sillä kondensoituminen poistaa kosteutta ilmasta. Haihtumisen, kondensoitumisen, desorption ja varsinaisten vuotojen yhteisvaikutusta selvitellään seuraavassa kappaleessa. 5.1.4 Yhteisvaikutus absoluuttiseen kosteuteen Edellä puitujen ilmiöiden yhteisvaikutus absoluuttiseen kosteuteen AH saavutettiin kaavan (27) perusteella summaamalla kyseiset tekijät. Yhdistämällä vuotojen ja desorption dAHdt -vaikutukseen (31) haihtumisen ja kondensaation aiheuttamat termit 28 (34) ja (35), absoluuttisen kosteuden aikaderivaataksi saatiin yksinkertaisesti dAH dt = dAH dt vuoto + dAH dt piirilevy + dAH dt haihtuva (t) + dAH dt kondensio (t) dAH dt = (XvuotoStiiviste +XpiirilevySpiirilevy)  pH2O, sisä + 1 RTsisä  [Xkond(t)Xhaihtuva(t)]  pH2O, sisä +XvuotoStiivistepH2O, ulko +XpiirilevycH2O, piirilevy +Xhaihtuva(t)  pH2O(Tpisara) RTpisara Xkond(t)  pH2O(Tpinta) RTpinta : (36) Funktion dAHdt (pH2O, sisä) pitäisi siis muodostaa suora (29), jos haihtumista ja kon- densoitumista ei ilmene. Mikä vaikutus kaavan (36) eri termeillä sitten on mittaja- kauman muotoon? Suoran kulmakertoimen kertoo ensimmäinen termi. Toinen ter- mi muuttuu ajan kuluessa kondensaation ja haihtumisen mukaan, ja voi kaareuttaa suoraa. Kolmas termi riippuu ympäristön kosteudesta, ja neljäs termi pysyy pitkälti vakiona. Loput termit ovat nollia, jos vettä ei haihdu eikä kondensoidu systeemis- sä. Muuten ne vaihtelevat epämääräisesti ajan saatossa tuoden kohinaa funktioon dAH dt (pH2O, sisä). Mutta miten nämä kaikki reagoivat käytännössä? Perehdytään nyt syntyvän suoran asentoon. Suoran leikkauspiste paineakselin kanssa kertoo sisäpaineen tasapainotilanteessa, eli silloin kosteus ICON:in sisäilmas- sa ei kokonaisuudessaan muutu. Leikkauspiste pysyy vakiona silloin, kun vesihöyryn osapaine ympäristössä, ICON:in lämpötila ja piirilevyn kosteus pysyvät muuttumat- tomina, eikä ICON:issa ole nestemäistä vettä. Yhtälön (36) perusteella kosteuden ilmaantuminen systeemiin kuvautuu laskeva- na suorana. Desorptoituva vesi jyrkentää laskua vielä lisää. Desorption voimakkuus on suurimmillaan lämmityksen alkuvaiheessa, jonka jälkeen se hiipuu. Tämä johtuu siitä, että aluksi vesikonsentraatio on tasaisemmin jakautunut esimerkiksi piirilevyn pinnan ja syvempien osien välillä. Levyn lämpeneminen antaa vesimolekyyleille li- sää kineettistä energiaa, jonka voimin ensimmäisenä valmiiksi pinnan lähellä olevat vesimolekyylit desorptoituvat ulos levystä. Kun pian kosteutta on enemmän enää syvemmällä, sillä on pidempi matka diffusoitua materiaalissa ja kokonaisdesorptio hidastuu merkittävästi. Korkein dAHdt saavutetaan silloin, kun laite on juuri ehtinyt lämmetä. Sitten vauhti hidastuu johtuen sekä edellä mainitusta pintadesorption hidastumisesta että 29 Kuva 6: Tutkimuksen kohteena ollut ICON9000. sisäilman absoluuttisen kosteuden ja vesihöyryn paineen kasvusta. pH2O, sisä:n kasvu pienentää kosteusgradienttia piirin ja sisäilman välillä hidastaen edelleen desorp- tiota. Samalla gradientti systeemin ja ympäristön välillä kasvaa, mikä voimistaa kosteusvuotoja ympäristöön. Olomuodonmuutoksista veden haihtuminen jyrkentää suoraa alaspäin entises- tään kasvattaen samalla kostumisen alkunopeutta, eli suoran vakiotermiä. Konden- soituva vesi päinvastaisesti pyrkii nostamaan suoran oikeanpuoleista päätä ja laske- maan matalan pH2O, sisä:n päätä. Suuri RH on suora viite kondensaation todennä- köisyyden kasvusta. Nouseva lämpötila taas edesauttaa haihtumista, olipa RH mitä tahansa. Tässä vaiheessa olimme selvittäneet yleisimpien tilanteiden vaikutukset funktio- na dAHdt (pH2O, sisä) esitettävälle mittausdatalle. Tilanne, jossa ilmiöt tapahtuvat yhtä aikaa, on hyvin hankalatulkintainen. Siksi onkin parempi luoda mittausjärjestelyitä, joissa vain osa ilmiöistä tapahtuu samanaikaisesti; yhtälöä (36) kannattaa käyttää vain tilanteiden simuloimiseen. Seuraavaksi siirryimme sovittamaan teoriaa käytän- nön mittauksiin. Ensin kuitenkin mitataan sensoreiden kalibrointitarvetta. 5.2 Koelaitteisto Tässä tutkimuksessa käytettiin kuvassa 6 esitettyä ulkokäyttöön suunniteltua ICON9000-nimistä kaapelitelevisioverkon optista kuitusolmutuotetta. Sen kotelon tiiveys pyrittiin selvittämään sisäpuolelle asennetun kosteus- ja lämpötila-anturin mittausten perusteella. Laitteen voidaan ajatella koostuvan, hieman yksinkertaistaen, kahdesta pääkom- ponentista: koko laitteen levyisestä piirilevystä sekä sitä ympäröivästä alumiiniko- 30 Kuva 7: Adafruit-BMP280 [22]. telosta. Laitteen pituus oli 58 cm, leveys 29 cm ja korkeus 27 cm. Kokonaismassa oli 22 kg, teho 81 W ja toimitalämpötila välillä -40 - 60 °C [23]. Lämpötila - kos- teusanturi oli kiinni ICON:in piirilevyn keskivaiheilla. Laitteen kuumin osa oli piiriin kytketty virtalähde, joka lämmitti koko laitteen huomattavasti ulkoilmaa lämpimämmäksi. Se oli rakennettu johtamaan mahdolli- simman suuren osan hukkalämmöstä alumiinikuoreen, joka toimi ulko-osan jäähdy- tysripoineen varsinaisena jäähdyttimenä. Lämmön siirtyminen konvektiona kiinteäs- tä pinnasta fluidiin, kuten ilmaan, tehostuu, kun kontaktipinnan pinta-alaa kasva- tetaan, fluidimassan vaihtumista pinnan lähellä nopeutetaan tai lämpötilaeroa pin- nan ja fluidin välillä kasvatetaan. Fluideihin lukeutuvat sekä nesteet että kaasut. [6]. Laitteen jäähdytyksen teho riippui tässä tapauksessa siis ympäristön lämpötilan muutoksista ja ilmavirtauksista. Kotelo muodostui kahdesta valetusta alumiinikannesta, jotka oltiin liitetty toi- siinsa saranoilla ja kahdeksalla pultilla. Pultit kiristivät valut yhteen symmetrisesti joka suunnasta: kolme pulttia pitkällä sivulla ja yksi lyhyellä. Valujen välissä kiersi yhtenäinen muutaman millimetrin paksuinen urilleen painettu tiiviste. Johtojen ja valokuitujen tuomiseksi ulkoa kotelon sisäpuolelle oli useita läpivientejä, jotka oli ki- ristetty mahdollisimman tiiviiksi. Tiiveysluokitukseltaan ICON on IP67. Se tarkoit- taa sitä, että tuote on täysin pölytiivis ja kestää vuodotta jopa hetkellisiä upotuksia veteen [24]. Tiiveystutkimuksessa käytettiin vertailun vuoksi myös kahta paine- ja lämpötila- anturia: sekä kotelon sisä- että ulkopuoliselle ilmalle. Ne olivat Bosch-merkkisiä BMP280-sensoreita liitettynä Adafruit:n valmistamille piirilevyille, kuten kuvassa 7 näkyy. Ne kytkettiin Raspberry Pi 3 -mikrokontrolleriin SPI-sarjaliikenneprotokollaa käyttäen. Tämä mahdollisti niiden yhtäaikaisen käytön mittauksissa ilman pelkoa 31 Kuva 8: Raspberry Pi (oikealla), sisäpuolen BMP280-sensori (keskellä) ja HOBO (vasemmalla) kiinnitettynä ICON:iin. signaalien päällekkäisyyden aiheuttamasta sekaantumisesta. Antureista luettiin mit- tauksesta riippuen viiden tai kymmenen minuutin välein mittapisteet Raspberryyn, joka tallensi ne omaan muistiinsa. ICON:in sisäpuolelle jäävä paine- ja lämpötila-anturi kiinnitettiin sähköteipil- lä johdoistaan kanteen siten, että itse anturi jäi ilmaan, noin senttimetrin päähän kannesta. Näin varmistettiin, että se mittasi nimenomaan ilman eikä kannen läm- pötilaa. Asetelma näkyy kuvassa 8. Ulkopuolen anturi puolestaan johdettiin pidem- mällä, hyvin tiiviillä, RS232-DB9-johdolla läpiviennin kautta roikkumaan ICON:in alapuolelle. Vesiherkkyyden vuoksi se suojattiin muovipullosta leikatulla pohjaosal- la, joka oli käännetty sensorille kuvuksi. Tämä näkyy kuvassa 9. Myös tämä sensori teipattiin siten, että se riippui vapaasti ilmassa, eikä piiri nojannut mihinkään. Muutamassa mittauksessa hyödynnettiin myös erillistä HOBO-nimistä mittaria, joka mittasi lämpötilaa ja suhteellista kosteutta. Se oli kooltaan pieni, 61 mm x 48 mm x 20 mm, ja käytti virtalähteenään paristoa. Olikin helppoa kiinnittää se eri kohtiin ICON:in kotelon sisällä kosteuden ja lämpötilan vaihtelun mittaamiseksi eri sijanneista. HOBO sisälsi valmiiksi dataloggerin, joka tässä tutkimuksessa säädettiin kirjaamaan mittapisteitä 10 min, 5 min tai 1 min välein. Se toimi siis loistavana vertaislähteenä ilmankosteudelle ICON:in oman mittarin rinnalla. Kosteuserojen lisäksi HOBO:lla voitiin mitata lämpötiloja samanaikaisesti kol- mesta eri anturista: sisään rakennetusta kiinteästä anturista ja kahdesta erikseen yhdistettävästä anturista. Erilliset anturit voitiin kytkeä suoraan kosketukseen alu- 32 Kuva 9: Ulkosensori sateensuojassaan. miinikannen kanssa, jolloin lämmön johtumisen kautta ne mittasivat itse alumiinin eikä ilman lämpötilaa. Minimaalisen kokonsa ja lämpökapasiteettinsa ansiosta nii- den vaste lämpötilan muutoksiin oli erittäin nopea. Lämpöantureiden maksimivirhe mittausalueellaan -20 °C  T  70 °C oli T  1,5 °C, eikä vakiona pysyessään haitannut. HOBO:n kosteusanturin toiminnalle oli tiukemmat rajoitukset. Aivan kuten RH riippuu lämpötilasta, myös HOBO:n kosteusmittarin mittausa- lueen ylä- ja alaraja RH:lle riippuivat siitä. Laajin mittausalue oli korkeammissa lämpötiloissa, joissa voitiin parhaimmillaan havaita kosteusarvot 22 %  RH  95 %. Tarkemmin rajat näkyvät kuvassa 10. Siitä huomataan myös lämpötila-alue, jolla suhteellinen kosteus voitiin luotettavasti mitata, eli kun 5 °C  T  50 °C. Kosteusmittaus oli lämpötilakompensoitu, eli HOBO korjaa suoraan anturilta saa- tua RH-arvoa vielä huomioimalla lämpötilan. Tällöin sille luvattiin käyttöohjeessa [25] absoluuttisen virheen marginaaliksi RH  5 % koko mittausalueella. Tämä on hyvä vertailuarvojen tarkkuus, muttei vedä vertoja varsinaiseen tuotteeseen jäävälle ICON:in kosteusanturille. ICON mittasi omalla kapasitiivisella Si7006-A20 RH T -anturillaan kosteutta välillä 0 % - 90 % ja lämpötilaa välillä -40 °C - 125 °C datalehden [26] mukaan. Suositelluiksi rajoiksi kuitenkin määritettiin 20 %  RH  80 % ja -10 °C  T  60 °C; suositusten ulkopuolelta kosteusanturi palautuu hitaammin ja virherajat ovat suuremmat. Absoluuttinen virhe oli tässäkin RH  5 %, mutta se kattoi HOBO:a suuremman välin: 0 % - 90 %. Hystereesiksi oli ilmoitettu korkeintaan 1 %. Läm- pötilan virhe oli T  1 °C välillä -10 °C  T  85 °C. Näiden perusteella ICON:in sensorit pystyivät antamaan hyvin luotettavia tuloksia - tarkempia kuin HOBO. 33 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 R H ( % ) T (°C) HOBO:n suhteellisen kosteuden mittausrajat lämpötilan funktiona RH_max RH_min Kuva 10: HOBO:n kosteussensorin mittausalueen rajat. Mittarit yhdessä kuvasivat laitteen tilan varsin luotettavasti annetuissa rajoissa. Kuvassa 11 on esitetty lohkokaavio mittausjärjestelystä, jossa olisi kaikki käyte- tyt sensorit yhtä aikaa. Kaikilla kolmella - ICON:illa, HOBO:lla ja Raspberry Pi:llä - on siis oma dataloggerinsa ja lämpötila-anturinsa. Lämpötilat kotelon sisällä alkoi- vat muuttua aina samanaikaisesti huolimatta siitä, mistä kohdasta lämpötilaa mi- tattiin, mikä mahdollisti jokaisen mittarin datan yhdistämisen samalle aikajanalle. Vierekkäin olevien mittareiden näyttämien arvojen saturoiduttua voitiin määrittää myös niiden keskinäinen virhe toisiinsa verrattuna vallitsevissa olosuhteissa. Lämpö- mittareita käytettiin siis myös mittalaitteiden keskinäiseen kalibroimiseen. Kaikissa mittauksissa ei kuitenkaan käytetty HOBO:a lisäantureineen tai Raspberry Pi:tä. 5.3 Testiympäristö Tässä tutkimuksessa ICON asennettiin katolle 3. kerroksen ulkoseinään, mikä näkyy kuvassa 12. Päällä näkyvää muovipeitettä käytettiin estämään sateen pääsy laitteen sisään silloin, kun kantta pidettiin auki. Katolle asennettuna se oli hyvin avoimessa ympäristössä: tuuli, auringonpaiste, vesi- ja lumisade pääsivät vuorovaikuttamaan 34 ICON T RH Dataloggeri Ympäristö p T BMP280 p T BMP280 Raspberry Pi Dataloggeri T RH Dataloggeri HOBO T T Kuva 11: Lohkokaavio koelaitteistosta kaikilla sensoreilla. suoraan laitteen ulkopinnan kanssa kaikkialta paitsi seinänpuoleiselta sivulta. Tuote on suunniteltu ulkokäyttöön ja asennettavaksi joko seinään tai roikkumaan ilmaan paksusta kaapelista. Näiden kahden tilanteen merkittävimmät erot ovat ne, että roikkuessaan kaapelista ICON altistuu voimakkaammin tuulelle ja auringon- paisteelle - tuuli tehostaa jäähtymistä merkittävästi, kun taas Auringon säteily hei- kentää sitä. Toisaalta myös ICON säteilee lämpöä pois nopeammin roikkuessaan kaapelin varassa. Oli syytä pohtia, onko eri asennustavoilla vaikutusta vuotoihin tai tutkimuksessa tehtäviin kosteusmittauksiin. Seinään kiinnitettynä ICON ja sitä ympäröivä ilma kokivat rakennuksen aiheut- taman pienen lämmittävän vaikutuksen. Laite oli pari senttimetriä irti seinästä kah- ta kiinnikerautaa lukuunottamatta, eli lämpöä siirtyi seinästä käytännössä vain sä- teilemällä ja ilman kautta konvektiona. Vertaamalla tilanteeseen jossa tuote roik- kuu ilmassa, seinän lämmittävä vaikutus simuloi lämpimämpää säätä ja pienempää tuulta. Kosteus siirtyy kuitenkin tismalleen samoilla mekanismeilla sekä seinä- että kaapelikiinnityksellä. Ainoa kosteuteen liittyvä vaikutus rakennuksen läheisyydellä oli se, että kyl- mällä säällä muun ulkoilman suhteellinen kosteus oli suurempi kuin lähellä seinää olevan hieman lämmitetyn ilman RH, joka putosi lämpötilan nousun vaikutukses- ta. AH:n, eli veden konsentraation, täytyi silti pysyä samana seinän lähelläkin, sillä lämpötilaerosta huolimatta ulkoilman katsottiin olevan kemiallisessa tasapainossa. Kosteushan siirtyy pääosin diffuusiona, jonka voimakkuus on verrannollinen kon- 35 Kuva 12: ICON testiympäristössään katolla ulkoseinässä. sentraatioeroihin, ja lämmin seinä ei vaikuta konsentraatioihin ICON:in sisä- eikä ulkopuolella. Vaikka lämpö tehostaakin adsorptiota ICON:in ulkopinnalle ja diffuusionopeut- ta, sillä on silti sama vaikutus myös kaapelista roikkuvaan tuotteeseen. Johtopätök- senä eri asennusvaihtoehtoja ei tarvitse ottaa kokeissa huomioon. 5.4 Kokeelliset mittaukset 5.4.1 Kalibrointitarpeen testaaminen Raspberry Pi:hin kytkettyjä BMP280-antureita verrattiin toisiinsa tasaisessa pai- neessa. Ne asetettiin vierekkäin ilmaan samalle korkeudelle toimiston pöydällä sei- 36 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 Lä m pö til a [° C] Aika [h] Lämpötila Icon:in piirilevyltä sekä Raspberry Pi:llä ilmasta TIcon, in TRasPi, in TRasPi, out Kuva 13: BMP280-antureiden ja ICON:in lämpötilamittaukset kalibrointitestissä. sovassa ilmassa olevan ICON:in sisään. ICON kytkettiin päälle, mistä seurasi läm- peneminen seuraavan kolmen tunnin ajan ennen tasaantumista. Ilma lämpeni 28 °C ympäristöä lämpimämmäksi, mikä näkyy kuvassa 13. ICON:in piirilevy lämpömit- tarin kohdalla lämpeni puolestaan 34 °C, eli noin 6 °C sisäilmaa lämpimämmäksi. ICON:in sisään muodostui siis merkittävä lämpötilagradientti, mikä on syytä huo- mioida tulevissa mittauksissa merkittävänä virhetekijänä absoluuttisen kosteuden määrityksessä. Näin suuret lämmönnousut tuskin kuitenkaan ovat tyypillisiä ulko- mittauksissa, sillä siellä tuuli saa ilman vaihtumaan, mikä jäähdyttää ICON:ia. Kuvassa 14 näkyy sensorien arvojen poikkeama: sisäanturi mittasi keskimäärin 0,7 °C matalamman lämpötilan ja 11 Pa suuremman paineen. Nämä ovat hyvin pie- niä eroja, eivätkä tässä tutkimuksessa aiheuta tarvetta kalibroinnille. Aluksi, 30 °C lämpötilassa paine-ero oli suurempi, muttei silti merkittävä. Paine-eroa tasaa sekin, että ulkoanturi asennettiin noin 20 cm sisäanturia alemmaksi tulevissa mittauksissa; matalammalla on hieman suurempi paine (p  3 Pa), joka johtuu korkeuserosta. Tämä voitiin laskea kaavalla p = p0  exp Mgy RT  ; (37) jossa p0 on ilmanpaine merenpinnantasolla, M ilman moolimassa, g putoamiskiih- tyvyys ja y korkeus merenpinnantasosta [6]. 37 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 Ilm an pa in e- er o [P a] Lä m pö til ae ro [° C] Aika [h] Käytettyjen BMP280-anturien näyttämien ero ilman kalibrointia Δpin-out ΔTin-out Kuva 14: BMP280-antureiden lämpötila- ja paine-erot lämpötilavälillä 23 - 52 °C paineen ollessa n. 101 kPa. BMP280-anturit ovat tutkimuksessa apuna, eivätkä jää lopulliseen tuotteeseen. Kosteuden määrittämiseen käytetäänkin ICON:in oman sensorin mittaamaa lämpö- tilaa joten tarkempaa kalibrointia ei kosteusmittaustarkkuudenkaan vuoksi tarvita. 5.4.2 Tiivis tapaus Aluksi ICON:illa tehtiin kahdet mittaukset mahdollisimman hyvin suljettuna ja tii- vistettynä kannen pultit 10 Nm momenttiin väännettynä. Ensin mitattiin vakaassa ympäristössä toimiston pöydällä, ja sitten vaihtelevissa olosuhteissa ulkona seinällä. Molemmat kokeet kestivät noin kolme vuorokautta, ja mielenkiintoisimmat havain- not saatiin jo muutamassa tunnissa laitteen lämmetessä. Ennen kokeita laite oli verifioitu tiiviiksi alipaineistamalla ja mittaamalla U-putkimanometrillä, mutta silti kokeissa havaittiin pieniä vuotoja. Ennen siirtymistä ICON:in omien sensoreiden mittaustuloksiin tutkittiin ympä- ristötekijöiden vaikutusta systeemin tilaan Raspberry Pi:n mittauksista. Lämpötilat ja paineet BMP280-antureilta on koottu kuvaan 15. Näistä kokeista saataviin tulok- siin oli tarkoitus verrata myöhempiä kokeita, joissa mittausjärjestelyä muutettiin eri tavoin. 38 Sisätiloissa toimiston pöydällä ympäristön, eli ICON:in ulkopuolisen ilman, läm- pötila pysyi hyvin tarkaan vakiona koko mittauksen ajan. Sen seurauksena myös laitteen sisällä vallitsi tasainen, noin 19 °C ympäristöä kuumempi, lämpötila. Tä- mä kuitenkin saavutettiin vasta lämpötilan tasaantumisen jälkeen, johon kului noin kolme tuntia. Painevaihtelut olivat myöskin pieniä; paine ympäristössä pysyi koko ajan noin 1 kPa vaihteluvälillä. Sisäpaine kasvoi aluksi lämpenemisen myötä 1,8 kPa ulko- painetta suuremmaksi. Ilman vuotoja paine olisi kuitenkin kasvanut kaavan (14) mukaisesti samassa ajassa 3 kPa ja lämpötilan tasaannuttua yli 6 kPa ympäristöä suuremmaksi. Sisäpaine oli huipussaan, kun lämpötila oli nopeimmassa nousussa. Se kuitenkin putosi nopeasti, sillä korkeammassa lämpötilassa vuodotkin kiihtyivät. ICON ei siis kyennyt ylläpitämään suurempaa ylipainetta kokeen lämpötiloissa. Ulkomittauksesta huomattiin heti, että ympäristöolosuhteet voivat vaihdella pal- jon parissa tunnissakin. Lämpötilan vaihtelu oli tässä kokeessa 13 °C rajoissa, mutta paine ei vaihdellut enempää kuin 1,5 kPa. Ympäristön painemuutokset molemmis- sa mittauksissa olivat siis suuruudeltaan samaa luokkaa. Ulkomittauksessa se tosin vaikutti vaihtelevan enemmän ja noudattavan omanlaista vuorokausirytmiään. Si- sätiloissa ilmanvaihto ja lämmitys tasoittanevat painevaihtelua, tai sitten kyseisen mittauksen aikana paine vain sattui pysymään ulkonakin vakaampana. Joka tapauk- sessa ICON:in sisäpaine ja -lämpötila mukailivat selkeästi ympäristöä - lämpötila seurasi melkein välittömästi ja paine suuremmalla viiveellä. Tämän ulkomittauksen alussa ja lopussa on myös poikkeuksellista käyttäytymis- tä myöhempiin kokeisiin verrattuna. Alussa sisälämpötila näkyy laskevan nopeasti ja sisäpaine on alkujaan reilusti ulkopainetta alempi. Nämä selittyvät sillä, että en- nen mittauksen alkua ICON oli ollut jo pidempään suljettuna ja käynyt lämpimänä. Mittauksen alkaessa se oli vielä jäähtymässä edellisestä ajosta, ja tämä jäähtyminen oli laskenut myös sisäpaineen. Mittauksen lopuksi ICON:in kansi avattiin, mikä ai- heutti paineiden välittömän tasoittumisen ja lämpötilan nopean putoamisen. Tämä näkyy viimeisten mittapisteiden notkahduksena kuvassa 15. Kannen avaus on havaittavissa myös sisäkokeen mittauksista. Vaikka lämpöti- lat eivät ehdikkään tasoittua samalle tasolle ulkomittarin kanssa, paineet ehtivät. Kosteuden vapaa diffuusio ilmassa on nopeaa, joten myöhemmin esitettävän abso- luuttisen kosteudenkin voitiin olettaa tasoittuvan ilmassa melko hyvin viimeiseen mittapisteeseen mennessä. Vaikutukset näkyivät myös seuraavaksi tarkasteltavissa ICON:in tekemissä mittauksissa. 39 Ilm an pa in e (k Pa ) Lä m pö til a (° C ) 99.5 100 100.5 101 101.5 102 102.5 0 10 20 30 40 50 60 70 20 25 30 35 40 45 sisäpaine ulkopaine sisälämpötila ulkolämpötila Lämpötilat ja paineet ajan funktiona kokeessa sisätiloissa Aika (h) A) 98 98.5 99 99.5 100 100.5 101 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -5 0 5 10 15 20 25 Lämpötilat ja paineet ensimmäisessä ulkona suoritetussa kokeessa Aika (h) B) Ilm an pa in e (k Pa ) Lä m pö til a (° C ) Kuva 15: ICON:in sisä- ja ulkopuoleisen ilman lämpötilat ja paineet koemittauksissa sisätiloissa (A) ja ulkona (B). 40 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 10 20 30 40 50 60 70 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Lä m pö til a [° C] Su ht ee llin en k os te us [% ] piirin lämpötila kastepiste kosteus Aika [h] Lämpötila, kastepiste ja RH piirilevyllä kokeessa sisätiloissa A) 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 16 18 20 22 24 26 28 30 Lä m pö til a [° C] Su ht ee llin en k os te us [% ] Aika [h] Lämpötila, kastepiste ja RH piirilevyllä ulkomittauksessa B) Kuva 16: Suhteellinen kosteus, lämpötila ja kastepiste systeemissä koemittauksissa sisätiloissa (A) ja ulkona (B). ICON:ilta kerätyt mittaukset lämpötilasta ja ilmankosteudesta piirilevyn tun- tumasta on koottu kuvan 16 kuvaajiin. Niihin piirrettiin myös ICON:in laskema kastepiste. Se oli reilusti, noin 16 °C, piirilevyn lämpötilaa alempi, mikä kyseisessä lämpötilassa vastasi noin 20 % suhteellista ilmankosteutta. Vertaamalla lämpötilaa Raspberryn Pi:n mittauksiin nähdään, että myös nämä seuraavat vahvasti toisiaan. Kokonaisuudessa ottaen huomioon, että systeemi toimii jatkuvana lämmöntuotta- jana, systeemi ja ympäristö päätyvät nopeasti termiseen tasapainoon. Lämpögra- dientteja tosin jää sekä ICON:iin että ympäristöön. 41 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 AH (T , R H) [µ l/l ] Aika [h] Absoluuttinen kosteus ajan funktiona sisäkoe ulkokoe Kuva 17: Absoluuttinen kosteus ajan funktiona vakaiden sisäolosuhteiden ja vaihte- levamman ulkoympäristön vertailemiseksi. Kosteuden tasaantunut kasvu systeemissä ensimmäisten 45 minuutin laskun jäl- keen nähtiin selvästi kuvaajasta 16 A. Lasku johtui lämpötilan kasvusta, ja nousuun kääntyminen seurasi kosteuden lisääntymisestä ilmassa. Vaikkakin suhteellinen kos- teus nousi kahden vuorokauden jälkeen vaivaisella 0,04 %/h tuntinopeudella, se osoitti selkeästi systeemin vuodon ja kosteuden desorption yhteisvaikutuksen. Yhtä selkeää kuvaa RH-arvot eivät antaneet kuvaajassa 16 B. Jo pelkkä RH:n lämpötila- riippuvuus teki kuvaajan tulkinnan hankalaksi. Siksi molempien kokeiden kosteudet muunnettiinkin ICON:in RH- ja T -mittauksista kaavalla (9) absoluuttisiksi AH. Absoluuttinen kosteus ajan funktiona AH(t) sisä- ja ulkokokeesta esitettiin ku- vassa 17. Kuten suhteellinenkin kosteus kuvassa 16 A, myös AH kasvoi aluksi no- peasti kokeessa sisätiloissa. Merkittävin ero RH ja AH kuvaajien muodossa oli se, et- tei AH laskenut alussa RH:n laskiessa. Juuri tämän takia kosteusvuotomittauksissa käytetään lämpötilasta riippumatonta suuretta AH. Tässä se kertoo, että absoluut- tinen kosteusmäärä kasvaa koko mittauksen ajan ennen kannen avaamista lopussa. Pelkästä RH-kuvaajasta 16 A voitaisiin virheellisesti tulkita lämmityksen poistavan vettä ilmasta, mikä ei siis pidä paikkaansa. AH:n kasvun sisäkokeessa ajateltiin olevan pääosin desorptiota piirilevystä ja tiivisteistä, koska ICON oli juuri suljettu, jolloin ilmankosteus oli sama systeemissä 42 ja ympäristössä. Lisäksi lämpenemisen pääteltiin kiihdyttävän desorptiota erityises- ti aluksi RH:n laskiessa lämpenemisen vaikutuksesta, kuten kappaleessa 5:1:2 to- dettiin. Lisätodisteena kannen avaaminen mittauksen lopuksi pudotti AH:n lähes alkutasolle - tämä oli ympäristön kosteus, joka oli vain hieman kasvanut alkutilan- teesta. Kosteus systeemissä oli koko mittauksen ajan ympäristöä korkeampi, joten vettä saattoi diffuusoitua ainoastaan systeemistä matalampaan vesihöyrykonsent- raatioon, eli ympäristöön. Nestemäistä vettä ei kummassakaan kokeessa havaittu, joten veden haihtuminen ja kondensoituminen eivät vaikuttaneet mittauksiin. Ulkomittauksessa AH laski jo alusta lähtien. Tähän vaikutti mm. se, että ICON tuotiin suljettuna kylmempään ympäristöön, jolloin itse systeemi ei juurikaan pääs- syt lämpenemään. Muutenkin laite oli jo vähän aiemmin käynyt kuumana, joten kos- teutta ei luultavasti ollut paljoa piirilevyn pinnalla. Syvemmällä oleva kosteus tuskin oli ehtinyt tasaantua lähemmäs pintaa. Siten kuvaajassa 17 AH:n käyttäytymistä ohjaa pääasiassa vuodot systeemistä ympäristöön ja päinvastoin. Kuten mittauksen lopuksi huomattiin, kannen avaaminen muutti kosteutta vain hieman korkeammaksi kohti ympäristön kosteutta. Absoluutisen kosteuden kasvunopeus paineen pH2O, sisä funktiona sisäkokeessa esi- tettiin 65 tunnilta kuvaajassa 18. Kuvaajaan tehtiin lineaarinen sovitus pienimmän neliösumman menetelmällä Gnuplot 5.2 kuvaajanpiirto-ohjelmalla. Signaali oli ta- soitettu laskemalla jokainen kosteusmuutospiste kolmen pisteen keskiarvona, mikä laski myös sovituksen kulmakertoimen prosentuaalista virhettä. Kuvaajan 18 sovitukseen otettiin mittapisteet aikaväliltä t = 45 min6 h, kos- ka silloin desorptio ICON:issa ja vuoto ympäristöön vaikuttivat lähestyvän lineaa- risesti keskinäistä tasapainoaan. Sovituksessa satiin suoran (31) kulmakertoimeksi C1 = (XvuotoStiiviste +XpiirilevySpiirilevy) = 4; 075  103 l l1h1Pa1 ja vakioter- miksi C0 = XvuotoStiivistepH2O, ulko +XpiirilevycH2O, piirilevy = 13; 658 l l 1h1. Kertoi- men asymptoottinen keskivirhe oli singaalin tasoituksen jälkeen vain 1,487 %, joten tulosta voitiin pitää melko tarkkana. Jos tunnettaisiin adsorptiokertoimet Stiiviste ja Spiirilevy sekä piirilevyn kosteus- konsentraatio cH2O, piirilevy ja ympäristön vesihöyryn osapaine pH2O, ulko, voitaisiin kuvan 18 sovituksen parametreista laskea vuotokerroin Xvuoto, H2O ja desorptioker- roin Xpiirilevy, sekä niistä laskettavat diffuusiokertoimet. Pelkästä kulmakertoimes- takin voitiin kuitenkin määrittää yläraja sille, kuinka suuri vuotoa kuvaava termi XvuotoStiiviste voi tilanteessa olla. Vuotokertoimien Xpiirilevy ja Xvuoto on oltava posi- tiivisia, ja kosteuseron kasvu edellytti vuodon olevan desorptiota pienempi. Näiden 43 -2 0 2 4 6 8 10 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 dA H/ dt [µ l l -1 h- 1 ] pH2O, sisä [Pa] Absoluuttisen kosteuden muutosnopeus vesihöyryn osapaineen funktiona 0 h 45 m in 6 h 0 m in Sovitus: dAH/dt = -4.075E-3 pH2O + 13.658 kertoimen asymptoottinen virhe: 1.487 % 0 10 20 30 40 50 60 70 Ai ka [h ] Kuva 18: Absoluuttisen kosteuden muutosnopeus ICON:in sisäilman vesihöyryn osa- paineen funktiona kokeessa tiiviinä sisätiloissa. perusteella (XvuotoStiiviste)H2O  1 2  4; 075  103 l l h Pa : Kuvaajasta 18 nähtiin myös, että kosteus jatkoi kasvuaan ajanhetken t = 6 h jäl- keenkin. Se oli kuitenkin paljon aiempaa hitaampaa, minkä perusteella kasvun pää- teltiin johtuneen ympäristön kosteuden noususta, joka puolestaan seurasi kuvaajassa 15 havaitusta ympäristön kokonaispaineen nousua kaavojen (5) ja (6) mukaisesti. So- vituksen aikavälin jälkeistä kosteusmuutosta rajoitti siten ympäristöolosuhteet eikä vuodon diffuusionopeus, joten sitä ei huomioitu kosteusvuototarkastelussa. Aiemmin perusteltiin, että vesihöyryn diffuusiokerroin voidaan olettaa suurem- maksi kuin kuivan ilman D. Vesihöyryn osapaineen muutokset eivät kuitenkaan rii- tä tasoittamaan kokonaispaineen eroa systeemistä ympäristöön. Vesihöyryn tarkkaa vuotonopeutta ei voitu tässä kokeessa edes määrittää, koska absoluuttinen kosteus riippui kaavan (31) mukaisesti sekä vuodosta ympäristöön että desorptiosta ICON:in sisällä, ja vesihöyryn desorptionopeutta piirilevystä ei tiedetty. Siksi paineen tasau- tumista rajoittavana tekijänä pidetään kuivan ilman vuotonopeutta, joka oletetaan myös kosteusvuodon nopeuden alarajaksi. Kuivan ja kostean ilman sekä niiden seoksen konsentraatioiden muutosnopeudet 44 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Sovitus: dc/dt = -1.155E-3 Δp + 0.020 kertoimen asymptoottinen virhe: 2.015 % dc /d t [ m m ol l- 1 h -1 ] pin - pout [Pa] Ilman konsentraatioiden muutosnopeudet paine-eron funktiona ajassa 45 min < t < 6 h kostea ilma kuiva ilma vesihöyry Kuva 19: Kostean ilman ja sen sisältämän kosteuden ainemäärien muutosnopeudet, sekä niistä laskettu kuivan ilman vuotonopeus. ICON:in sisäilmassa sisäkokeessa aikaväliltä 45 min  t  6 h laskettiin kaavoil- la (9), (18) ja (20), ja piirrettiin paine-eron funktiona kuvaajaan 19. Koska myös kuivan ilman osapaine on Henryn lain (4) mukaisesti suoraan verrannollinen tiivis- tepinnalle adsorboituvaan kaasukonsentraatioon, voitiin kuivan ilman vuotokerroin määrittää kaasun poistumisnopeudesta sisä- ja ulkopaineen eron funktiona. Jaka- malla absoluuttisen kosteuden vuotoyhtälö (28) veden moolimassalla, saatiin yhtälö dcsisäilma dt = D  AStiiviste Vx  (pulko psisä) = k  (pulko psisä): (38) Kuvassa 19 tämä suora sovitettiin kuivan ilman vuotoon Gnuplotilla pienimmän ne- liösumman menetelmällä. Suora sopi hyvin laskettuihin pisteisiin ja leikkauspiste oli hyvin lähellä origoa, kuten pitikin. Suoran kulmakertoimeen k = DAS Vx = XS MH2O suo- raan verrannollinen diffuusiokerroin D ei siis juurikaan reagoinut lämpötilan muu- tokseen välillä 26  T  43 °C. Painemittareiden kalibrointiero siirsi leikkauspistet- tä noin 10 Pa origosta, ja samalla tavalla vaikutti myös systeemissä desorptoituvan veden tuottama minimaalinen lisäpaine. Gnuplotilla laskettiin kuvasta 19 kulmaker- toimeksi k = 1; 155 mol l1h1Pa1 ja asymptoottiseksi keskivirheeksi vain 2,0 %. Vuototermiksi sisäkokeen alkuosalle laskettiin XvuotoStiiviste = 20; 8 l l 1h1Pa1. Kuivan ilman vuototermi on yli tuhatkertainen kuvaajan 18 funktiosta dAHdt (AH) 45 laskettuun kosteusvuodon maksimiarvoon verrattuna. Täytyy siis olla, että joko ve- sihöyry ei diffusoidukaan yhtä helposti tiivisteiden läpi kuin kuiva ilma, tai sitten systeemiin suuntautuva terminen diffuusio oli kokeessa systeemistä pois suuntau- tuvaa kemiallista diffuusiota suurempi. Myöhempien kokeiden perusteella terminen diffuusio on avainasemassa. Kuivan ilman vuotonopeus muodosti suoran kuvaajaan 19, joten paine-eron ta- sautumiseen kuluva aika jollekin nollaa suuremmalle tasolle ploppu voitiin laskea alkuperäisestä paine-erosta palku sijoittamalla kaava (20) suoran yhtälöön (38) olet- tamalla samalla kosteus vakioksi: 1 RTin  dpsisä dt = k  (psisä pulko)Z t 0 dt = 1 RTink  Z psisä, loppu psisä, alku dpsisä psisä pulko t = 1 RTink  ln  ploppu palku  : (39) Yhtälö toimii lämpötilan ja ulkopaineen pysyessä vakioina, eli yleensä vain pienil- lä aikaväleillä. Siten yhtälöä kannattaa käyttää mieluummin paineen simulointiin lyhyillä ajanmuutoksilla kuin pidempiaikaiseen ennustamiseen pelkän alkutilanteen perusteella. Nopean simuloinnin perusteella vuotokerroin k vaikutti kuitenkin olevan lämmitysvaiheessa suurempi kuin mittauksen edetessä. Sama todettiin soveltamalla kaavaa (38) mittauksen loppuosaan. Täsmällisempi vuotokerroin määritettiin ottamalla koko kolmen vuorokauden mittaus huomioon. Lisäksi paine- ja lämpötilamittausten kohinaa vähennettiin ta- soittamalla mittapisteet kolmen vierekkäisen pisteen keskiarvoiksi. Jokaisesta kui- van ilman vuotonopeuden pisteestä, jossa paine-ero psisä pulko oli tiettyä kynnys- tä pkynnys suurempi, määritettiin oma kerroin k kaavoilla (20) ja (38). Pienimpiä paine-eroja ei huomioitu, sillä ne olivat lähinnä kohinaa. pkynnys määritettiin empii- risesti Python-ohjelmointikielellä kokeilemalla arvot väliltä 0  pkynnys  300 Pa 5 Pa välein, ja valitsemalla sen, jota suuremmilla paine-eroilla k-kertoimen keskiar- von suhteellinen keskivirhe oli pienin. Sisäkokeen vuotokertoimen keskiarvoksi saatiin k = 0:43954 mol l1h1Pa1 suhteellisella keskivirheellä  = 11:485 %, kun paine-eron kynnyksenä käytettiin pkynnys = 80 Pa. Kertoimen virhe oli siis 95 % todennäköisyydellä alle 2 = 23 % lasketusta keskiarvosta k. Kosteuden keskimääräisen vuototermin pitäisi olla kuivan ilman vuototermiä suurempi, eli (XvuotoStiiviste)H2O MH2Okkuiva = 7; 9 l l h Pa : 46 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 18 20 22 24 26 28 30 AH (T , R H) [µ l/l ] Lämpötila [°C] Absoluuttinen kosteus Sovitus: AH = 0.270T + -2.473, kertoimen virhe: 1.244 % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ai ka [h ] Kuva 20: ICON:in sisäilman absoluttinen kosteus sisälämpötilan funktiona ulkoko- keessa tiiviissä tapauksessa. Vuototermin madaltumiseen sisäkokeen edetessä voi olla monia syitä. Diffuusio- kerroin tiivisteessä saattoi madaltua lämpötilan tai kosteuden kasvun vaikutuksesta, tai systeemin ilmaan desorptoitui sittenkin vesihöyryn lisäksi muitakin kaasuja. No- peassa lämpötilan nousussa lämpösensorin hitaus painesensorin reaktionopeuteen verrattuna korostui, mikä aiheutti todellista suuremman vuotonopeuden mittaami- sen; jos lämpötila ei noussut samassa suhteessa paineen kanssa, tulkittiin se kaasun konsentraation kasvuksi. Sisälämpöanturi ICON:issa saattoi myös mitata keskimää- räistä sisäilmaa pienempiä lämpötiloja, sillä sensori oli ulkokuoren vieressä kauem- pana muovisen kuitukotelon toisella puolella olevasta lämpimästä piirilevystä, ja systeemissä oli merkittäviä lämpögradientteja. Ulkokokeessa lämpötilan ja ympristöolosuhteiden harvinaisen nopean vaihtele- vuuden vuoksi tasapainosisäpaine, johon vesihöyry pyrki asettumaan ICON:issa, muuttui jatkuvasti. Siksi kyseisestä mittauksesta ei voitu suoraan määrittää kos- teuden vuotonopeutta. Lämpötilan ja kosteuden vaihdellessa samanlaiset yhtälöt vuodon maksimiarvoille kuin sisäkokeessa oltaisiin voitu laskea, jos oltaisiin tiedetty myös ympäristön ilmankosteus jokaisella ajanhetkellä. Ulkokokeesta voitiin kuitenkin määrittää kuivan ilman vuotonopeus samalla ta- valla kuin sisäkokeessakin. Aluksi tehdystä suoran sovituksesta selvitettiin paine-ero vuotonopeuden nollakohdassa. Kun tämä poikkesti arvosta p = 0 Pa, suoritettiin 47 16 18 20 22 24 26 28 30 18 20 22 24 26 28 30 Su ht ee llin en k os te us R H [% ] Lämpötila [°C] Suhteellinen kosteus lämpötilan funktiona piirilevyllä 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Kuva 21: ICON:in sisäilman suhteellinen kosteus sisälämpötilan funktiona tiiviissä tapauksessa ulkokokeessa. painemittareiden kalibrointi siten, että vuotonopeuden nollakohdaksi saatiin paine- eron nollakohta. Kyseisessä mittauksessa oli p = psisä pulko = 80 Pa, joten kalibrointi tehtiin nostamalla sisäpaineen mittapisteitä 40 Pa ja laskemalla ulkopai- neen mittapisteitä saman verran. Kalibroinnin jälkeen kuivan ilman konsentraatio oli tasapainossa paine-eron ollessa nolla. Kalibrointi saattoi kuitenkin olla virheelli- nen, mikäli vuoto pysähtyikin termisen diffuusion kumotessa kemiallisen diffuusion, josta seurasi staattinen paine-ero. Vuototermiksi ulkokokeessa laskettiin (XvuotoStiiviste)kuiva = 21; 4 l l 1h1Pa1 keskivirheellä 2 = 2kkuiva kkuiva < 7 %, kun keskiarvossa otettiin huomioon kaikki paine- eroltaan vähintään psisä-ulko  pkynnys = 130 Pa olevista mittapisteistä lasketut kkuiva-kertoimet. Termi oli yli kaksinkertainen sisäkokeen vuototermiin verrattuna. Ympäristön pienempi lämpötila ulkokokeessa pitäisi vain hidastaa diffuusiota, joten todennäköisimmin vuodon kasvu liittyy voimakkaampaan termiseen diffuusioon. Ulkokokeessa havaittiin myös absoluuttisen ja suhteellisen kosteuden mielenkiin- toinen käyttäytyminen sisälämpötilan funktiona. AH(T ) kuvassa 20 mukaili melko hyvin suoraa, jossa AH-arvo lähes puolittui lämpötilan pudotuksessa T = 30 °C ! 20 °C. Samassa lämpötilasiirtymässä RH kuvassa 21 laski arvosta RH = 20 % avoon RH = 17 %, mikä vastaa suhteellista muutosta 3 %. RH pysyi siis hyvin va- kaana, ja se voidaan perustella Henryn lailla (4). Kun vesihöyryn osapaineet kuoren 48 sisä- ja ulkopuolella tasoittuivat samoiksi, myös pinnoille adsorboituneet konsent- raatiot tasoittuivat ja diffuusion aiheuttama vuoto pysähtyi. ICON:issa tämä johti absoluuttisen kosteuden laskuun ympäristöä alemmalle tasolle, koska ICON:in si- säilma oli lämpimämpää ja siten sama AH aiheuttaisi suuremman osapaineen. Johtopäätöksenä tiiviisti suljetun ICON:in kosteusvuoto sisäkokeen mukaisessa ympäristössä yksiköissä [l h1] oli alle 4; 08 l l1h1Pa1 kerrottuna sisä- ja ul- koilman vesihöyrynpaineiden erolla ja ICON:in sisäilmatilavuudella litroissa. Kui- van ilman vuoto vaihteli mittauksissa hämmästyttävän paljon, mikä todennäköisesti aiheutui termisestä diffuusiosta. Seuraavassa luvussa tarkastellaan vuotonopeuden muutosta ICON:in kannen pulttien kireyden funktiona. 5.4.3 Kannen pulttien kireyden vaikutus Löysyttämällä kannen pulttien kireyttä pyrittiin selvittämään niiden mahdollinen vaikutus vuotonopeuksien kasvuun. Pultit oli laitteen ohjeissa määritetty kirittä- väksi 10 Nm momenttiin, ja tässä koesarjassa käytiin läpi momentit 2 Nm välein. Tiiveyskokeet tehtiin siis momenteilla 8, 6, 4 ja 2 Nm, minkä jälkeen tehtiin vertailu- mittaus, jossa kansi jätettiin raolleen. ICON pidettiin ulkona seinään asennettuna, jotta nähtiin monipuolisten ja todenmukaisten ympäristöolosuhteiden vaikutukset vuotonopeuksiin. Suora kosteusvuodon mittaus RH ja T antureilla sisäkokeen tapaan oli kuiten- kin hankalampaa ulko-olosuhteissa, kuten edellä todettiin. 8 Nm momentin mit- tauksessa ulkolämpötilan ja -paineen ollessa tovin vakioina saatiin vuototermiksi (XvuotoStiiviste)H2O < (3,7  0,9)103 ll h Pa . Muista mittauksista ei saatu luotetta- vaa ylärajaa kosteusvuodolle. Mittaussarjasta tehtiin mielenkiintoinen havainto: Kun ICON:issa vallitsi ylipai- ne, kuivan ilman poistuessa vesihöyryn määrä aina lisääntyi. Tämä voitaisiin vielä selittää silläkin, että piirilevystä desorptoituu vettä nopeampaa kuin sitä vuotaa ympäristöön erityisesti, jos ylipaine johtui lämmön kasvusta ICON:issa. Se ei kui- tenkaan selitä sitä, että ulkopaineen kasvun tai sisälämpötilan laskun alipaineista- massa ICON:issa kuivan ilman vuotaessa sisään vesihöyryn absoluuttinen määrä väheni. Tämä näkyy hyvin 8 Nm -kireyden kokeesta piiretyssä kuvassa 22. Alipai- neessa kemiallinen diffuusio ICON:iin voimistuu. Koska ympristön painenousu on yleensä lämpötilan nousun seuraus, johtaa se myös ICON:in lämpötilan nousuun ja tällöin desorptionkin pitäisi kasvaa. AH:n laskun voi tilanteessa aiheuttaa ainoas- taan terminen diffuusio. Kuivan ilman vuodot laskettiin samalla tavalla kuin aiemmissa mittauksissa, ja 49 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 Sovitus: dc/dt = -1.401E-3 Δp + -0.001 kertoimen asymptoottinen virhe: 0.955 % pin - pout tasapainossa: 0 Pa dc /d t [ m m ol l- 1 h -1 ] pin - pout [Pa] Ilman konsentraatioiden muutosnopeudet paine-eron funktiona kostea ilma kuiva ilma vesihöyry Kuva 22: Kuivan ilman ja vesihöyryn muutosnopeudet ICON:issa systeemin ja ym- päristön paine-eron funktiona kannenpulttien kireydellä 8 Nm. niiden tulokset koottiin taulukkoon 1. Taulukossa kuvattiin myös mittauksen kesto sekä lämpötila- ja RH-välit, joissa ICON:in sisäilma oli kunkin kokeen ajan. Keskimääräiset vuototermit olivat lähes samat kireyskokeissa 10 ja 8 Nm. Ki- reyksillä 6, 4 ja 2 Nm termit puolestaan olivat puolta pienemmät, mikä sotii hypo- teesia vastaan. Eri suuruusluokkaiset vuotonopeudet havaittiin sisälämpötiloiltaan ja -kosteuksiltaan samankaltaissa kokeissa. Suurin ero kokeissa oli lämpötilan muuttuminen ajan funktiona. Ulkolämpöti- lan lasku kasvattaa samansuuntaista lämpö- ja painegradienttia tiivisteessä, jolloin terminen ja kemiallinen diffuusio molemmat kasvavat johtaen suurempaan kuivan ilman vuotoon ICON:ista ympäristöön. 10 Nm koe oli ainoa, jossa ulkolämpötila oli lähes jatkuvassa laskussa. Kuvasta 15 B nähdään, että lasku oli jopa 10 °C 70 tunnin kokeessa. Muissa kokeissa ulkolämpötila lopussa oli suurempi tai lähes yhtä suuri kuin alussa. 8 Nm -koe oli ainoa, jossa auringonpaiste aiheutti useita voimakkaita lämpöpiik- kejä. Piikin nousuvaiheessa ulkolämpötila kasvaa paljon, jopa sisälämpötilaa suu- remmaksi, jolloin kuivaa ilmaa vuotaa nopeasti systeemiin. Piikin laskuvaiheessa kokonaisdiffuusio kasvoi vieläkin suuremmaksi, sillä sisälämpötila ja -paine olivat eh- tineet nousta auringonpaisteessa paljon, mikä kasvatti molempia gradientteja. Nämä 50 Taulukko 1: Kokeet ulkona eri kannen pulttien kireyksillä, ja niille laskettuja vuotoja 2-virheineen. Kireys [Nm] T [°C] RH [%] Kesto [h] vuotokuiva [ l l h Pa ] 10 20 - 30 15 - 30 70 21,4  1,5 8 15 - 35 25 - 45 170 24,5  0,9 6 20 - 35 25 - 30 70 11,2  0,5 4 15 - 35 25 - 30 90 11,7  0,6 2 15 - 35 15 - 25 170 11,6  0,4 0 10 - 35 15 - 65 70 49,4  17,3 selittävät 8 Nm -kokeen suuren vuototermin. Terminen diffuusio havaittiin selvästi kaikissa mittaussarjan kokeissa. Se antoi selityksen myös sille, miksi kuivan ilman vuotokerroin havaittiin jokaisessa kokees- sa reilusti suuremmaksi kuin kostean ilman vuotokerroin. Ilman lämpögradientteja kosteus voisikin vuotaa kuivaa ilmaa nopeammin. 5.4.4 Systeemissä haihtuvan veden vaikutus Haihtuvan veden vaikutusta ICON:in sisäilman kosteuteen tutkittiin kokeessa, jos- sa ICON:in sisään laitettiin pahvinen vesimuki. Kannen pultit kirittiin normaalisti 10 Nm momenttiin. Tässä kokeessa hyödynnettiin myös HOBO-mittaria, joka tei- pattiin sisään kanteen mittaamaan sieltä viileämmän ilman lämpötilaa ja kosteutta. Siihen liitettiin myös ulkoiset lämpösensorit mittaamaan suoraan alumiinikannen sisäpinnan lämpötilaa: toinen kannen keskelle ja toinen kylmään alanurkkaan. Absoluuttinen kosteus mittauksen edetessä sekä ICON:illa että HOBO:lla mi- tattuna esitettiin kuvassa 23. Molemmat mittarit antoivat samankaltaisia arvoja, ja siten ilman katsottiin olevan lähellä kemiallista tasapainoa. Toisinaan AH piiri- levyllä oli kuitenkin suurempi kuin kannen vieressä, ja toisin päin. Tämä voidaan kuitenkin laittaa HOBO:n mittaustarkkuuden piikkiin, Sillä sen RH arvot olivat välillä 75 %  RH 90 %, ja lämpötilassa 10 °C mittarille oli määritetty maksimi- kosteus RH 87 %. Tämä raja rikkoutui ajanhetkellä t  25 h, kun auringonpaiste lämmitti ICON:ia. Kosteus madaltui silti nopeasti siedettävälle tasolle vesikupista huolimatta. ICON:in ja HOBO:n lämpötilamittaukset ja kastepisteet on esitetty kuvassa 24. Ilman lämpötila kannen vieressä oli noin 13 °C ICON:in mittaamaa alempi. Tämän- 51 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 0 10 20 30 40 50 AH (T , R H) [µ l/l ] Aika [h] Absoluuttinen kosteus ajan funktiona AHIcon AHHobo Kuva 23: Absoluuttinen kosteus ICON:issa ajan funktiona mittauksessa, jossa oli avoin vesikuppi tiiviisti suljetun ICON:in sisällä. kin perusteella sisäilman keskimääräinen lämpötila oli huomattavasti ICON:in mit- taamaa matalampi, mutta tarkkaa arvoa on vaikea määrittää. Huolestuttava havain- to oli se, että kannen lämpötila kylmässä nurkassa oli toisinaan alle sitä ympäröivän ilman kastepisteen. Näin kävi erityisesti auringonpaisteen aikaan. Kokeen päätteeksi vettä oli kondensoitunut huomattavasti koko kannen alueelle. Myös piirilevyn laidas- sa olevaan kiinnitysruuviin oli tiivistynyt vesipisara, mutta muuten elektroniikka oli pysynyt vedeltä suojassa. Pelkkä ilmankosteuskin on kuitenkin vaarallinen ollessaan näin korkea. Tärkeä huomio oli sekin, että ICON:in piirilevyn lämpötilassa ilman suhteellinen kosteus oli koko kokeen ajan matala: 30 %  RHICON 42 %. Siten sisä- ja ulko- lämpötilan erosta riippuen jo pienikin mitattu kosteus voi olla merkki kondension mahdollisuudesta kannen sisäpinnalla. Kosteusvuotoa ei voitu tässäkään mittauksessa määrittää vaihtele- vien ympäristöolosuhteiden vuoksi, mutta kuivan ilman vuodoksi laskettiin vuotokuiva = 10,8  0,8 ll h Pa . 52 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 Lä m pö til a [° C] Aika [h] Lämpötilat ja kastepisteet ajan funktiona Icon:in ja Hobo:n mittaamana TIcon THobo THobo, kannen keskellä THobo, kannen nurkassa kastepisteIcon kastepisteHobo Kuva 24: Kastepisteet ja lämpötilat ICON:illa ja HOBO:lla mitattuna sisäilmasta, sekä alumiinikannen lämpötila keskellä ja alakulmassa. 5.4.5 Vertailumittaukset lämpökaapissa Koska kosteusvuodon määritystä hankaloitti piirilevyltä desorptoituva kosteus, teh- tiin koe lämpökaapissa tyhjällä kotelolla ilman piirilevyjä. Lämpökaappi oli Vötsch Industrietechnik VT 4011. Käytetty kotelo ja sen tiivisteet olivat samaa materiaalia kuin ICON:in omassa kuoressa, mutta tämän kokeen kotelo oli huomattavasti pie- nempi. ICON:in kotelossa käytettiin yli kaksinkertainen pituus tiivistettä tämän ko- keen koteloon verrattuna. Se laitettiin sisätiloissa olosuhdekaappiin, jolla simuloitiin eri lämpötiloja. Kaapissa oli tuuletin, joka sekoitti ilman tasalämpöiseksi. Lisäksi kaappiin luotiin kostea ilma asettamalla 4 vedellä puolilleen täytettyä pahvikup- pia pohjalle. Kotelon sisälämpötilaa ja kosteutta mitattiin HOBO:lla ja ympäristön, eli lämpökaapin, kosteutta ja lämpötilaa mitattiin irrallisella ICON:in piirilevyllä. Mittausjärjestelyn lohkokaavio on kuvassa 25. Olosuhdekaappi ohjelmoitiin kuvan 26 mukaisiin lämpötilasykleihin. Kuvassa nä- kyy myös suhteellinen kosteus, mutta ensimmäiset 16 h siitä oli virheellistä dataa. Kotelon sisältämää kosteutta mitattiin HOBO:lla, ja se ei aluksi kyennyt mittaa- maan kosteutta liian alhaista kosteutta. HOBO:n virheelliset RH-arvot reagoivat tällä alueella pelkkään lämpöanturin arvoon, mikä loi vaikutelman suhteellisen kos- 53 Lämpökaappi T RH Dataloggeri HOBO Vertailukotelo T RH Dataloggeri ICON:in piirilevy Kuva 25: Lohkokaavio vertailumittauksen koelaitteistosta lämpökaapissa. teuden noususta lämpötilan mukana. Ajanhetkestä t = 19 h lähtien RH oli kasvanut vuodon ja viilenemisen johdosta havaittavalle tasolle. Lämpötilassa T = 40 °C vuoto oli hyvin vähäistä. Kun T = 30 °C, kotelosta alkoi vuotaa kosteutta pois. Koska lämpötila oli sama sekä kotelossa että olosuhdekaapis- sa, täytyi tasapainossa myös RH olla sama. Siitä huolimatta ICON mittasi suurem- man kosteuden. Tässäkin kokeessa syntyi lämpögradientteja syklin alussa, ennen kuin lämpötilat tasaantuivat noin 50 min kuluessa. Joko se vaikutti RH-eroon, tai muuten RHkotelo täytyisi olla korkeampi kuin RHkaappi. Mahdollinen kalibrointiero ei vaikuttaisi vuotonopeuteen, mutta terminen diffuusio vaikuttaisi. Vesihöyrylle mitattiin vuotonopeus (Xvuoto, vertailuStiiviste)H2O = (8 3)103 ll h Pa lämpötilan laskiessa T = 40 °C ! 30 °C. Xvuoto, vertailu on suoraan verrannollinen vuotoalueen pinta-alaan, joten olettamalla lähes koko vuodon tapahtuvan tiivis- teen läpi, voitiin ICON:in kotelon vuoto approksimoida kaksinkertaiseksi tiivistetyn sauman pituuden mukaisesti. Siten ICON:in vuoto olisi (Xvuoto, ICONStiiviste)H2O  (17  6)103 l l h Pa . Lämpötilan laskiessa T = 20 °C ! 10 °C, havaittiin selkeämmin vuodon tapah- tuvan eri nopeuksilla eri vaiheissa. Kaapin ja kotelon lämpötilat alkoivat laskemaan kiihtyvästi, jolloin paine-ero kasvoi nollasta arvoon p = pkotelo pkaappi = 250 Pa. Tällä välillä mitattiin vuotonopeus (Xvuoto, vertailuStiiviste)H2O = (36  7)103 ll h Pa . Kun olosuhdekaappi oli viilentynyt ohjelmoituun arvoon, kotelon vuotonopeus taan- tui laskuun paine-ero tasaantuessa nopeasti arvoon p = 170 Pa, jolloin myös ko- telo saavutti tavoitelämpötilan. Tällä välillä vuototermi oli aiempaakin suurempi: (Xvuoto, vertailuStiiviste)H2O = (141  17)103 ll h Pa . Nopeutuminen selittyi sillä, että lopussa lämpögradientti loiveni ja kosteuden poistumista kylmempään ympäristöön hidastava terminen diffuusio lakkasi. Lisäksi paine-ero pääsi hieman tasoittumaan, 54 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 20 40 60 80 100 Lä m pö til a [° C] Su ht ee llin en k os te us [% ] Aika [h] Lämpötila ja suhteellinen kosteus olosuhdekaapissa ja sen sisällä olevassa kotelossa. TKaappi TKotelo kosteus kosteusKaappi Kotelo Kuva 26: Lämpötila ja suhteellinen kosteus kokeessa olosuhdekaapissa, ja kotelossa sen sisällä. mikä myös kiihdytti vuotoa. Itse asiassa tämä koe kuvasikin hyvin termisen dif- fuusion suuruutta kemialliseen diffuusioon verrattuna. Halutessa niiden keskinäinen suhde voitaisiin laskea lämpögradientin funktiona kuvan 26 kuvaajista. Tämän työn rajoissa siihen ei kuitenkaan lähdetty. Seuraavan syklin alkaessa ajanhetkellä t = 33 h 30 min lämpötila kääntyi takaisin nousuun. Vuoto oli jälleen nopeaa, noin 80103 l l h Pa paine-eron tasoittuessa arvos- ta p = 120 Pa nollaan. Sitten paine-ero kääntyi negatiiviseksi ja vuotovauhdiksi hidastui noin 10103 l l h Pa . Tämä taas kuvaa sitä, kuinka kosteus ajautuu ylipai- neesta helpommin kohti pienempää painetta kuin toisin päin. Tässä terminen dif- fuusio nopeutti vuotoa, ympäristön ollessa koteloa lämpimämpi. Kokonaisuudessaan tässä kokeessa tehtiin monta tärkeää havaintoa koskien kosteusvuotojen luonnetta. 6 Tulokset Kosteusmuutoksiin vaikuttaa moni tekijä, ja niiden yhteisvaikutusta oli haastavaa tulkita. Laitekohtaiset arvot eri vaikutusten suuruuksille on kannattavaa tutkia ensin yksitellen eri koejärjestelyillä, ennen kuin tulkitsee vaikutuksien summaa. 55 Ensimmäisissä kokeissa todettiin, että ICON:in asennusympäristössä ulkona vuo- tojen määrittäminen on huomattavasti haastavampaa, kuin vakaissa olosuhteissa sisätiloissa. Suhteellisen kosteuden havaittiin pyrkivän tasapainotilaan, joka riip- puu ympäristön vesihöyryn osapaineesta, eli siten suhteellisesta kosteudesta ja läm- pötilasta. Absoluuttisen kosteuden muutos muistutti suoraa lämpötilavälillä 20 °C  T  30 °C. Kuivan ilman vuoto vaihteli eri mittausten välillä ilman selkeää korrelaatiota kannen pulttien kireyteen. Se vaikutti riippuvan lähinnä ympäristöolosuhteista, ja BMP280-sensorin sijainti saattoi antaa virheellisiä arvoja kuvaamaan ICON:in si- säilman keskimääräistä lämpötilaa. Lasketut vuodot ovat taulukossa 1. Kosteusvuo- toa ei voitu luotettavasti määrittää ulkomittauksissa, koska ympäristön kosteutta ei tiedetty. Termisen diffuusion havaittiin vaikuttavan vuotoon vahvasti, eikä sitä oltu otettu kemiallista diffuusiota kuvaavissa teoriaosuuden yhtälöissä huomioon. Nestemäisen veden todettiin olevan suuri riskitekijä ICON:in kuoren sisällä, kos- ka se nosti viileiden alueiden ilmankosteuden laajalti lähelle maksimia. Kondensio- vettä syntyi näin myös piirilevylle kylmään kiinnitysruuviin. ICON:in kosteusanturi on kuitenkin paljon kylmiä kohtia lämpimämmällä alueella, joten se näyttää rutkasti pienempää suhteellista kosteutta. Termisen diffuusion vaikutus havaittiin oletettua suuremmaksi, ja sen suuruut- ta kuvaa vuodot olosuhdekaapissa tehdyssä kokeessa. Samassa kokeessa todistettiin myös ylipaineen ja alipaineen vaikutusten ero kosteusvuodolle. Lasketut vuotono- peudet ovat verrattavissa myös ICON:in kuoreen ottamalla tiivisteiden pituudet huomioon. 7 Yhteenveto Tämän työn tavoitteena oli selvittää, voidaanko ICON-nimisen kuitusolmutuotteen kosteusvuoto määrittää tuotteen sisälle sijoitetun kosteus- ja lämpötilasensorin avul- la. Tätä selvitettiin sekä teoriassa, että käytännön kokeissa vaihtelevissa sääolosuh- teissa. Lisäksi tutkittiin kannen pulttien kireyden vaikutusta vuotoihin. Kosteuden haittoja elektroniikalle perusteltiin kirjallisuusviittauksilla, ja kosteudentorjuntakei- noja pohdittiin fysiikan näkökulmasta. Työn edetessä todettiin, että myös ympäristön kosteuden mittaamisesta olisi ol- lut hyötyä. Lisäksi Raspberry PI olisi voitu ohjelmoida tekemään mittauksia tiheäm- pään, ja supistamalla sitten datamäärää laskemalla suureille keskiarvot esimerkiksi viiden minuutin välein. 56 Kokeissa huomattiin, että kosteusvuodon suuruudelle ei voitu määrittää alara- jaa suoraan kuivan ilman vuodon perusteella, sillä kuivalla ilmalla vaikutti olevan suurempi diffuusiokerroin tämän työn olosuhteissa. Työn aikana todettiin myös, että ICON sisältää haihtuvan kosteuden lähteen. Algoritmia kotelon tiiveyden määrittä- miseksi pelkän sisäkosteuden ja -lämpötilan perusteella ei siten voitu saavuttaa. Tiiveyden reaaliaikaiseen tarkkailuun tarvittaisiin kosteusmittarit lämpösenso- reineen sekä ICON:in sisä- että ulkopuolelle. Tämän lisäksi tulisi selvittää nopeus, jolla pääosin piirilevyltä desorptoituu kosteutta eri lämpötiloissa. Tämä voitaisiin tehdä esimerkiksi mittaamalla ensin tyhjän ICON:issa käytetyn kotelon vuoto, ja vertaamalla kosteuden kasvua sitten samoissa olosuhteissa piirilevyn ollessa saman kotelon sisällä. Vuodon määrittäminen ei silti ole ICON:in kosteusanturin ainoa tehtävä. Kos- teutta voi päätyä kotelon sisälle muutenkin, kuten huoltotöiden ohella kosteissa olo- suhteissa. Elektroniikka ei välitä, mistä kosteus on peräisin, vaan kriittistä on kos- teuden läsnäolo. Elektroniikan kannalta suhteellisen kosteuden tulisi pysyä tarpeeksi matalana vahinkojen välttämiseksi, joten suurista RH-arvoista tulisi huolestua. Tuntemalla vuotonopeudet voitaisiin ennustaa kosteuden mahdollinen kasvu sää- olosuhteiden vaikutuksesta hyvin etukäteen. Lyhyemmän aikavälin ennuste voidaan kuitenkin tehdä myös ilman tietoa vuodoista. Jos absoluuttinen kosteus nousee tuot- teessa niin suureksi, että se voisi realistisella lämpötilan laskulla johtaa suureen suhteelliseen kosteuteen, on syytä reagoida. Käytännössä laitteeseen voitaisiin oh- jelmoida suurin sallittu RH-rajaarvo, joka laitteessa saisi olla koko käyttölämpötila- alueellaan. Tästä määritettäisiin absoluuttisen kosteuden raja lämpötilan funktio- na kaavalla (9). Rajaa suuremmista AH-arvoista laite voisi hälyttää etäyhteyksillä huoltohenkilökunnalle ennakoivasi ilman, että RH-taso olisi vielä kyseisessä lämpö- tilassa liian suuri. Mikäli viileiden alueiden lämpötilat tiedettäisiin, voitaisiin niillekin laskea RH- arvo absoluuttisesta kosteudesta. Kondension ennustamiseksi ICON:iin tarvittaisiin siten vain yksi kosteusanturi, mutta lämpösensorit jokaiseen laitteen sisällä tarkkail- tavaan sijaintiin. Tässä työssä käsiteltiin kosteuden vuotomekanismeja ja niiden mittaamista läm- pötilan ja suhteellisen kosteuden perusteella ICON:issa. Samoja periaatteita ja teo- rioita voidaan tästä huolimatta hyödyntää kaikissa muissakin tuotteissa, joissa vai- kuttaa samat fysikaaliset ilmiöt. Näitä mittausmenetelmiä kehittämällä voitaisiin saavuttaa perusteellisempi ymmärrys kosteuden käyttäytymisestä näennäisesti sul- jetuissa systeemeissä. 57 Viitteet [1] V. Verdingovas, (2015). [2] K. Saksela ja J. Nyberg, ACOUSTIC CAMERA AND A METHOD FOR RE- VEALING ACOUSTIC EMISSIONS FROM VARIOUS LOCATIONS AND DEVICES, 2016. [3] R. L. Freeman, Fundamentals of Telecommunications, 2 ed. (John Wiley & SonsNew Jersey, 2005). [4] J. Saarenlaita, Opinnäytetyö, 2013. [5] Rotronic Instrument Corp staff, The Rotronic Humidity Handbook 12, 130 (2005). [6] H. D. Young ja R. A. Freedman, in Pearson Education, Inc., publishing as Addison-Wesley, 13 ed., edited by N. Whilton ja C. Madhavan (Jim SmithSan Francisco, 2012). [7] B. Duncan, J. Urquhart ja S. Roberts, Engineering 73 (2005). [8] J. Huang, Journal of Applied Meteorology and Climatology 57, 1265 (2018). [9] L. Peltonen, (2011). [10] C. Hunt, O. Thomas ja M. Wickham, IPC APEX EXPO Technical Conference 2011 1, 100 (2011). [11] P. Bakker et al., Dermatological preparations for the tropics, 2 ed. (Beta Science ShopThe Netherlands, 2012). [12] A. J. van Heugten, J. Landman, A. V. Petukhov ja H. Vromans, International Journal of Pharmaceutics 540, 178 (2018). [13] D. Ahmad et al., Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environ- mental Effects 40, 2686 (2018). [14] S. Furuyama, S. Sakuma, Y. Nagai ja J. Moriyama, Water-proof air-permeable filter and use of the same, 2018. [15] L. Martin, Y.-H. Chu ja R. Ramesh, Materials Science and Engineering: R: Reports 68, 89 (2010). [16] C. Lin, T. A. Howe ja D. D. Chung, Journal of Electronic Materials 36, 659 (2007). [17] V. Cammalleri, A. I. A. Senior, P. Manager ja S. Gumpertz, SSPC 2003: The Industrial Protective Coatings Conference and Exhibit, Ernest N. Morial Con- vention Center, New Orleans, LA, 26  29 October 2003, p 210 (2003). 58 [18] A. Seppälä ja M. J. Lampinen, AINEENSIIRTO-OPPI (Yliopistokustannus, 2017). [19] B. Sood ja M. Pecht, IPC Printed Circuit Expo, APEX & Designer Summit (2011). [20] K. Katsaros, Encyclopedia of Ocean Sciences 870 (2001). [21] O. Carrier et al., Journal of Fluid Mechanics 798, 774 (2016). [22] Adafruit Industries, Adafruit BMP280 Barometric Pressure And Temperature Sensor Breakout, 2019. [23] Teleste, ICON9000 datasheet, 2019. [24] H. P. Bloch, World Pumps 2009, 26 (2009). [25] HOBO H8 Family User's Manual, 2016. [26] Si7006-A20 I2C HUMIDITY AND TEMPERATURE SENSOR, 2016. 59 Liitteet Liite 1: Käytetyt suureet Taulukko 2: Työssä käytetyt suureet Suure Selitys Yksikkö A Pinta-ala [m2] AH Absoluuttinen kosteus [g/l] c Konsentraatio [mol/l] D Diffuusiokerroin [m2/s] ED Diffuusion aktivoitumisenergia [J/mol] g Putoamiskiihtyvyys [m/s2] HS Entalpiamuutos adsorptiossa [J] J Diffusoituvan veden vuo pinnan läpi [mol/m2] kT Terminen diffuusiosuhde [-] MH2O Veden moolimassa (= 18,016) [5] [g/mol] mvesi Veden massa tietyssä tilavuudessa [kg] n Moolimassa [g/mol] nH2O Veden moolimassa [g/mol] p Kaasun paine [Pa] pkuiva Kuivan ilman osapaine [Pa] pH2O Vesihöyryn osapaine ilmassa [Pa] pH2O Vesihöyryn kyllästysosapaine [Pa] R Moolinen kaasuvakio (= 8,314) [6] [J/(mol K)] RH Suhteellinen kosteus [%] S Liukoisuusparametri [J1] T Lämpötila [K] Td Kastepiste [K] V Kaasun tilavuus [m3] x Etäisyys läpäistävässä materiaalissa [m] xn;kuiva Kuivan aineen mooliosuus [-] xn;H2O Vesihöyryn mooliosuus [-] X Diffuusionopeutta kuvaava muuttuja [kg/(mol s)] y Korkeus merenpinnan tasosta [m]