Компресійний прес формує біполярну пластину для паливної комірки, деталі з високопровідного полімерного композиту, -наповненого графітом. Сама нагрівальна пластина являє собою масивний заземлений металевий блок. Якщо електропровідний гарячий пластик випадково торкнеться оголеної металевої поверхні валика, коли електричні нагрівальні елементи знаходяться під напругою, це може спричинити пряме коротке замикання, небезпечну дугу або шлях блукаючого струму через саму деталь. Поверхня валика повинна бути ідеальним, міцним електроізолятором. Ця стаття містить об’єктивні характеристики для aспецифікація провідної деталі нагрівання плити, зосереджуючись на електроізоляційних покриттях, діелектричних випробуваннях і механічній довговічності.
Виклик електробезпеки
Наповнені вуглецем-полімери-, які використовуються в біполярних пластинах паливних елементів, компонентах, що екранують електромагнітні перешкоди (EMI), і провідних антистатичних частинах-містять достатню кількість провідного наповнювача (графіту, сажі, вуглецевих волокон або вуглецевих нанотрубок), щоб зробити готову заготовку електропровідною. Під час обробки гарячий полімер м'який і податливий. Якщо він контактує з голою металевою поверхнею валика, може утворитися електричний шлях від внутрішніх нагрівальних елементів (які перебувають під електричною напругою, але ізольовані від корпусу валика слюдою або керамікою) через заземлення валика, а потім через провідну деталь. Результатом може бути коротке замикання, локалізована дуга, пошкодження контролера нагрівача або навіть небезпека ураження електричним струмом для операторів.
Рішення полягає в тому, щоб робоча поверхня валика-область, яка контактує з заготовкою-, була електрично ізольована від заземленого металевого корпусу валика. Валик повинен носити товсту керамічну або пластикову ізоляційну рукавицю, що є міцним електричним екраном, який запобігає контакту внутрішніх нагрівачів під напругою з електропровідною гарячою частиною.
Специфікація шару електроізоляції
Варіанти матеріалів для покриття
Два основні класи матеріалів придатні для ізоляції поверхні нагрівальної плити, яка обробляє електропровідні полімери:
Керамічне покриття-з плазмовим напиленням– Як правило, оксид алюмінію (Al₂O₃) або частково стабілізований діоксид цирконію (ZrO₂). Ці покриття надзвичайно міцні,-зносостійкі та здатні витримувати високі температури (до 1000 градусів). Вони також стійкі до стирання полімеру, що тече під час стиснення. Зазвичай товщина покриття становить 0,2-0,5 мм. Кераміка з плазмовим-напиленням забезпечує відмінну діелектричну міцність і механічну стійкість.
Щільне фторполімерне покриття (PTFE або PFA)– Наноситься у вигляді рідкої дисперсії, а потім спікається. Для надійної електроізоляції потрібна мінімальна товщина 0,5 мм (500 мкм). Більш тонкі покриття (типове антипригарне покриття PTFE товщиною 25–50 мкм) недостатні для електричної безпеки, оскільки вони містять мікроскопічні отвори. Товсто-плівкові фторполімерні покриття м’якші за кераміку, але мають відмінні-непригарні властивості, що може бути корисним, якщо провідний полімер має тенденцію прилипати до валика.
Для процесів, що включають високий механічний тиск (наприклад, пресування під тиском 10–50 МПа), керамічне покриття, як правило, є кращим, оскільки воно протистоїть розтріскуванню та повзучості під навантаженням. Для застосувань із низьким тиском (наприклад, ламінування або гаряче пресування) прийнятним є товсте покриття з PTFE, яке легше ремонтувати.
Вимоги до діелектричної міцності
Ізоляційне покриття повинно мати діелектричну міцність, достатню для того, щоб витримувати повну робочу напругу внутрішніх нагрівальних елементів, а також великий запас міцності. Типові нагрівачі валиків працюють при напрузі 240 В змінного струму, 480 В змінного струму або іноді вище. Необхідна діелектрична міцність покриття розраховується як:
Необхідна діелектрична міцність (кВ/мм)=(Робоча напруга × коефіцієнт безпеки) / Товщина покриття
Коефіцієнт безпеки від 10 до 20 зазвичай застосовується для високо-надійних застосувань. Для плити 480 В із покриттям товщиною 0,5 мм коефіцієнт безпеки 10 дає вимогу (0,48 кВ × 10) / 0,5 мм=9.6 кВ/мм. Більшість керамічних покриттів легко перевищують 20 кВ/мм. Товсті PTFE покриття також забезпечують приблизно 20–40 кВ/мм.
Специфікація повинна чітко вказувати: «Система покриття повинна мати перевірену діелектричну міцність, перевірену відповідно до ASTM D149 (Стандартний метод випробування напруги діелектричного пробою та діелектричної міцності), не менше ніж [наприклад, 15 кВ] при вимірюванні по всій товщині покриття».
Цілісність покриття та покриття
Ізоляційний шар має бути без дірок-і суцільним по всій робочій поверхні. Крім того, усі краї, кути, монтажні отвори та будь-які інші деталі валика, які можуть торкатися заготовки, повинні бути повністю покриті. Непокриті краї або отвори для кріплень є типовими точками електричного пробою, оскільки провідний полімер може затікати в невеликі зазори.
Специфікація повинна містити такі вимоги:
Без впливу голого металуна будь-якій поверхні, яка звернена до деталі або з якою може контактувати провідний полімер під час обробки.
Радіус краю– Перед нанесенням покриття слід закруглити всі гострі кути на валику (мінімальний радіус 1 мм), щоб забезпечити рівномірне покриття та запобігти появі тонких плям.
Маскування– Місця, де покриття небажане (наприклад, монтажні межі, отвори для термопар), повинні бути чітко визначені та замасковані під час нанесення.
Випробування вузла з покриттям високою-напругою
Критичною частиною специфікації є випробування високою напругою після-покриття-hipot (діелектрична стійкість). Цей тест підтверджує, що ізоляційний шар не має точкових отворів, тріщин або струмопровідних включень. Випробування проводиться на повністю зібраному валику з встановленими та підключеними нагрівальними елементами.
Процедура тестування
Зазвичай вказується така процедура:
Валик дають охолонути до кімнатної температури.
Виводи нагрівального елемента з’єднані разом (закорочені) і до однієї клеми тестера hipot.
Металевий корпус валика (заземлений корпус) під’єднується до іншої клеми тестера hipot.
Прикладається випробувальна напруга. Випробувальна напруга, як правило, у два рази перевищує номінальну робочу напругу плюс 1000 В (наприклад, для валика 480 В тестова напруга=2 × 480 + 1000=1960 В змінного струму або приблизно 2000 В змінного струму). В якості альтернативи можна використати випробування постійним струмом при 1,414-кратному перевищенні значення змінного струму.
Тест проводиться 60 секунд. Струм витоку не повинен перевищувати встановлену межу (наприклад, 5 мА).
У разі появи будь-якої дуги, іскріння або надмірного витоку валик не проходить випробування, і на нього потрібно нанести новий шар або відремонтувати.
Специфікація повинна вимагати, щоб випробування на гіпопоту проводилося після нанесення покриття та знову після будь-яких наступних операцій механічної обробки чи складання. Сертифікат про успішне тестування hipot повинен супроводжувати валик.
Додаткові випробування процесів під-високим тиском
Для застосувань пресування, де застосовується механічний тиск, ізоляційне покриття також має витримати без розтріскування. Необов’язковим, але рекомендованим тестом є aцикл-випробування під тиском: плиту з покриттям встановлюють у прес і піддають 110% максимального робочого тиску (наприклад, 55 МПа для процесу 50 МПа) протягом певної кількості циклів (наприклад, 100 циклів). Після тесту гіпотест повторюють. Не допускається поломка або видимі тріщини.
Механічна міцність ізоляційного шару
Покриття повинно витримувати не тільки електричне навантаження, але й механічне стирання, термічний цикл і хімічний контакт з полімером. Специфікація повинна містити:
Тест на адгезію – Per ASTM D3359 (tape test) for PTFE coatings, or ASTM C633 for ceramic coatings. Minimum adhesion rating must be specified (e.g., 4B for PTFE, or >міцність зчеплення 30 МПа для кераміки).
Стійкість до термічного удару– Для керамічних покриттів валик слід десять разів змінювати від кімнатної температури до максимальної робочої температури (наприклад, 250 градусів) без розколювання чи тріщин.
Стійкість до стирання– Для покриттів PTFE, тест на стирання за Тейбером (ASTM D4060) із заданою максимальною втратою ваги після певної кількості циклів.
Практична установка та запобіжні заходи при експлуатації
Навіть з належним чином визначеним і перевіреним ізоляційним покриттям оператори повинні дотримуватися правил безпеки:
Валик має бути належним чином заземлений відповідно до місцевих електричних норм.
Щоб виявити будь-який ненавмисний шлях струму, рекомендовано -переривник замикання на землю (GFCI) або систему моніторингу-замикання на землю для контуру нагрівача.
Покриття слід періодично перевіряти (наприклад, кожні 500 годин роботи) на наявність подряпин, відколів або зносу. Будь-який відкритий метал слід негайно відремонтувати за допомогою сумісного матеріалу покриття.
Залишки електропровідного полімеру слід очистити з поверхні валика не-абразивними методами, щоб уникнути подряпин на ізоляції.
Зразок специфікаційного пункту
Нижче наведено приклад пункту специфікації, який можна включити в документ про закупівлю:
Ізоляційне покриття для електропровідної обробки заготовок
Робоча поверхня нагрівальної плити та всі краї, які можуть торкатися заготовки, мають бути покриті безперервним електроізоляційним шаром без отворів. Варіанти покриття: (a) плазмове -напилення оксиду алюмінію, мінімальна товщина 0,3 мм, або (b) товста-плівка PTFE, мінімальна товщина 0,5 мм. Покриття повинно мати діелектричну міцність не менше 15 кВ згідно з випробуваннями ASTM D149. Після нанесення покриття завершена збірка валика повинна пройти випробування гіпопоту при 2000 В змінного струму протягом 60 секунд зі струмом витоку нижче 5 мА. Покриття має витримати цикл-випробування тиском із 100 циклів при 110% від максимального робочого тиску без розтріскування чи руйнування. Усі результати випробувань мають бути задокументовані в сертифікаті відповідності.
Висновок: плита як-захисне обладнання від високої напруги
Для обробки струмопровідної заготовки поверхня валика є критично важливим бар’єром безпеки під високою-напругою, і її специфікація має вимагати товстого, сертифікованого та перевіреного шару електроізоляції. Неприпустимий оголений металевий валик; будь-який випадковий контакт із струмопровідним гарячим полімером може спричинити коротке замикання, дугу або небезпеку ураження електричним струмом. Правильна специфікація вимагає керамічного або товстого фторполімерного покриття з перевіреною діелектричною міцністю, повного покриття всього відкритого металу та суворого випробування готової збірки.
Валик - це не просто гаряча плита; це частина високовольтного-електричного обладнання. Коли сама заготовка стає провідником, ізоляційний шар на плиті перетворюється з приємної-для-функції на обов’язковий компонент,-важливий для безпеки життя. Належна специфікація гарантує безпечну роботу преса для формування, захист інструментів і формування струмопровідних полімерних частин без електричних інцидентів.
