電熱線と PFA の間に薄い PTFE ライナーを追加すると、高電圧サービスでのイオンの移動を減らすことができますか?{0}}
伝言を残す
絶縁層を通過するイオンの移動は、高電圧 PFA ヒーター (AC480 V ～ 6.6 kV) の故障の主な原因です。{0}電界の下で、イオン (ナトリウム、カリウム、塩化物) が PFA を通って流れ、最終的に導電チャネルを形成し、絶縁破壊を引き起こします。加熱ワイヤーと主 PFA シースの間に薄い (0.1 ～ 0.3 mm) PTFE ライナーを配置すると、イオンの移動を 60 ～ 80% 削減できます。 PTFE はイオン性不純物濃度が低く (通常 0.1 ～ 0.5%、従来の PFA の . 1–3%)、イオンの移動を妨げる結晶構造がより安定しています。ライナーはバリア層です。外側の PFA を通って移動するイオンは、PTFE 界面で停止または遅延されます。 AC 1,000 V を超える温度または高湿度設定で動作するヒーターの場合は、PTFE ライナーの使用をお勧めします。追加コスト (10 ～ 15%) は、重要な高電圧サービスでの寿命の延長によって正当化されます。
PFA におけるイオン移動のメカニズム
PFA は、高電界下で周囲から水分を吸収します。微量の汚染物質 (金属塩、触媒残留物) は水分子によって加水分解されて可動イオンになります。電界により、イオンは反対の極性の電極にドリフトします。イオンは時間の経過とともに PFA- 金属接触部 (電熱線) と PFA の外側表面に蓄積します。蓄積したイオンは導電経路を形成し、絶縁耐力が低下します。最後に部分放電 (トラッキング) が発生し、PFA が炭化し、完全な破壊が引き起こされます。移動速度は、フィールド強化を伴うフィックの方程式によって与えられます: J=mu x C x E。ここで、mu はイオン移動度、C は濃度、E は電場です。 480 VAC、100 度での PFA のイオン移動による故障までの時間は、純度に応じて通常 5,000 ～ 15,000 時間です。
PTFE は結晶化度が高く (PFA の 40 ～ 50% に対して 60 ～ 80%)、化学的不活性であるため、イオン移動度が低く、イオン輸送が妨げられます。 PTFE ライナーは、イオンが加熱されたワイヤーに到達する前にイオンを捕らえます。ただし、外側の PFA を突き破るイオンは PFA- PTFE 界面に集まり、磁場が減少するため (PTFE 層が電圧をいくらか低下させる)、トラッキングが発生しません。また、PTFE は水分の吸収が少ないため (PFA の 0.05 ～ 0.10% に対して 0.01%)、可動イオンの発生源が減少します。
性能比較: PTFE ライナー ヒーターありとなし 設計電圧定格 動作温度 絶縁破壊までの時間 (時間、85% RH) 絶縁耐力 (kV/mm、初期) 故障モード
PFA のみ (2 mm) 480 VAC 100 度 8,000–12、000 20 –25 イオントラッキング PFA のみ (2 mm) 高純度樹脂 - 480 VAC 100 度 15,000–20、000 22 –28 遅延トラッキング
480 PFA + PTFE ライナー (0.15 mm) VAC 100 度 25,000-40、000 25-30 トラッキングなし (ライナーは無傷)
PFA のみ (2 mm) 4 kV 80 度 500-1、500 15-20 高速トラッキング
PFA + PTFE ライナー (0.3 mm) 4 kV 80 度 4,000-8、000 22-28 ライナー経由のトラッキング
PFA のみ（高純度）4 kV 80 度 1,000-2、500 18-22 中程度のトラッキング
PFA + PTFE + 水分ゲッター 6.6 kV 60 度 10,000-15、000 25-30 限られた寿命については許容可能
PTFE ジャスト (1 mm) AC480 V 100 度 20,000–30、000 25–30 PTFE 変形、クリープ
現実世界のアプリケーション-
PFA を押し出す前に、PTFE ライナーを細いチューブ (熱収縮性またはスリップフィット) として抵抗線アセンブリの上に置きます。ライナーはシームレスであるか、イオンのバイパスを防ぐためにオーバーラップ (最低 5 mm) を伴って溶接されているものとします。 PTFE は高純度グレード (充填剤不使用、リサイクル不使用) である必要があります。 PFA は、押出中に PTFE の表面に付着します。結合は機械的 (化学結合ではありません) ですが、接触がしっかりしているため、バリア機能としては十分です。
AC 1,000 V を超えるヒーターの場合は、次のように指定します。
PTFE ライナーの厚さ: 0.15 ～ 0.30 mm (電圧が大きいほど厚くなります)
PTFE 純度: バージン、高純度、無添加
ライナーシーム: オーバーラップ溶接、導通チェック済み
イオン源を最小限に抑えるための寒冷地での水分ゲッター（記事 #81 を参照）
240 VAC 未満で動作するヒーターの場合、イオンの移動が遅く電界が低いため、PTFE ライナーはほとんど利点がありません。
フィールドテスト
4 kV PFA ヒーターを備えた半導体炉を湿潤雰囲気 (80% RH) で使用しました。標準的な PFA ヒーターは、シース上に黒いカーボンの跡として現れるイオン追跡により、800 ～ 1200 ℃で故障しました。工場では、0.25 mm PTFE ライナーを備えたヒーターに変更されました。故障時間は 6,000 ～ 8,000 時間に増加 – 6 倍の改善。また、工場では低温エリアに窒素パージを導入し、寿命がさらに 12,000+ 時間に延長されました。
### PTFE ライナーの欠点
PTFE ライナーは、極度の高電圧または高温での使用に対する完全な解決策ではありません。 180 度を超える温度では、PTFE が柔らかくなり、這い上がり、バリアの完全性を失います。電圧が 10 kV を超える場合、電界により PFA と PTFE の間のギャップがイオン化する可能性があるため、ライナーはトラッキングを防止できない場合があります。このような用途には、ポリマー-断熱ヒーターではなく、セラミック-断熱（酸化マグネシウム）ヒーターを使用してください。
ライナーは耐熱性も備えています。0.25 mm の PTFE (k=0.25 W/m・K) により R=0.001 m 2・K/W が追加され、一般的な熱流束で PFA の内面温度が 5 ～ 10 度上昇します。これにより、ヒーターの電力密度能力がわずかに制限されます。
結論: PTFE ライナーによりイオン移動が大幅に減少 (60 ～ 80%)
電熱線と PFA シースの間にある薄い (0.15-0.30 mm) PTFE ライナーにより、高電圧ヒーターでのイオン移動が 60 ～ 80% 減少します。これにより、480 VAC での絶縁破壊時間が 8,000 ～ 12,000 時間から 25,000 ～ 40,000 時間に増加します。ライナーは、湿気の多い状況でのトラッキング障害の主な原因となる可動イオンに対する障壁となります。 AC 1,000 V 以上で動作するヒーターや、高湿度 (相対湿度 80% 以上) で使用されるヒーターには、PTFE ライナーを用意してください。追加の 10 ～ 15% のコストは、寿命の延長とダウンタイムの減少によって補われます。ライナーは、一般的な工業用電圧 (120 ～ 240 VAC) および乾燥条件ではオプションです。高電圧ではイオンが敵です。バリアは PTFE です。イオンを止めて、失敗を止めてください。裏地をご指定ください
