316 ステンレス鋼シースの壁の厚さは、電熱要素のスエージング後の酸化マグネシウム絶縁体の絶縁耐力にどのような影響を与えますか?

高品質エンジニアや発熱体メーカーにとって、シースの壁の厚さと電気絶縁性能の関係は必ずしも明らかではありません。抵抗線の周囲の酸化マグネシウム パウダーは、高い熱伝導率と高い絶縁耐力を実現する密度まで圧縮されています。-通常は 2.8 g/cm3 以上で、室温で 100 メガオームを超える絶縁抵抗が得られます。 MgO を圧縮する主なメカニズムは、316 ステンレス鋼シースの外径を小さくするスエージング プロセスです。しかし、シース壁を通して MgO にかかる半径方向の圧力は壁の厚さに依存します。壁が厚いほど、かしめ力をより多く吸収します。 MgO は圧縮が不十分である可能性があります。壁が薄いほど大きな力が伝わりますが、抵抗線が崩壊したり損傷したりする危険があります。この論文では、316 シースの壁厚が MgO 密度と絶縁耐力に及ぼす影響を分析します。これは、機械的完全性と電気的性能のバランスをとる最小の壁厚を決定するための基礎となります。

シースかしめ中の MgO の圧縮挙動
ヒーターの製造では、316 ステンレス鋼のチューブに MgO 粉末のゆるい混合物と中央に配置された抵抗線が充填されます。次に、アセンブリはスエージング マシンに通され、スピニング ダイスがチューブを半径方向内側に打ち込み、外径を 10 ～ 30% 縮小します。このプロセスにより、MgO 粉末は初期かさ密度約 1.5 ～ 1.8 g/cm3 から最終密度 2.8 ～ 3.2 g/cm3 まで高密度化されます。 316 シース壁の弾性および塑性変形に使用される力を差し引いた後の、スエージング ダイからの正味の半径方向の力が、MgO に加えられる圧縮圧力になります。特定のスエージングの減少とダイ力の場合、シース壁が薄くなることで行われる全体的な変形仕事が少なくなり、加えられた力のより高い割合が MgO に伝達されます。スエージングプロセスの有限要素モデリングは、0.8 mm 316 シースがダイ圧力の約 85% を MgO に伝達するのに対し、1.6 mm シースは同じスエージ条件下で 65% しか伝達しないことを示しています。加えられた力の 50% 未満が 2.5 mm のシースを介して伝達され、残りは厚い鋼壁に弾性ひずみエネルギーとして保持されるか、塑性変形中に熱として放出されます。この違いは、考えられる MgO 密度に直接影響します。

肉厚とMgO密度の定量的関係
同様のスウェージング装置、ダイセット、および縮小率を使用した対照試験では、316 シースの壁厚と最終的な MgO 密度の間に明確な逆相関が示されています。 20% の目標スエージング減少 (例: . 12.0 mm から外径 9.6 mm) で達成される典型的な MgO 密度は次のとおりです。 壁厚 0.8 mm での最終 MgO 密度は 3.1 ～ 3.2 g/cm3 で、最小基準を大幅に超えています。壁の厚さは 1.2 mm、密度は 2.9 ～ 3.0 g/cm 3 ですが、これでもほとんどの用途に許容可能です。密度は 2.7 ～ 2.8 g/cm3 に減少します。これは、壁厚が 1.6 mm の場合、最小許容レベル以下です。壁厚 2.0 mm の材料の密度は 2.5 ～ 2.6 g/cm3 ですが、これは高温下で信頼性の高い電気絶縁を実現するには十分ではありません。 2.7 g/cm 3 未満では、MgO は相互に接続された多孔性を持ち、吸湿と電流の漏れチャネルが可能になります。 2.5 g/cm3 に圧縮された MgO の 500 度での絶縁抵抗は、3.1 g/cm3 に圧縮された MgO の絶縁抵抗よりも 10 ～ 100 倍低いことがよくあります3 .。絶縁耐力 (絶縁が破壊することなく耐えられる電界の上限) は、3.1 g/cm3 での約 15 kV/mm から 2.5 g/cm3 での 5 kV/mm まで低下します。抵抗線直径 1.0 mm の 240 V ヒーターの MgO 層上の電界は、動作電圧で約 2 ～ 3 kV/mm です。これは、MgO 密度が高い場合には十分なマージンを与えますが、小さな欠陥が絶縁破壊につながる可能性がある低密度ではマージンになります。

厚肉シースの「誘電完全性」の実際的な限界-
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1.6 mm) 機械的要件または腐食要件用。厚い壁の力の吸収を軽減できる 3 つの製造調整があります。最初の最も典型的な手順は、スエージング圧下率を高めることです。外径 12.0 mm から 8.4 mm への . 30% の縮小により、より強い半径方向応力が MgO に伝達され、20% の縮小ではなく、より低い縮小率でより薄い壁と同様の密度が達成されます。その代償として、抵抗線が損傷する可能性が高まり、シース内の残留張力が高くなります。 2 番目の変更は、中間焼きなましを伴う複数のスエージング パスの使用です。 15% 減少させ、シース応力を緩和するためにアニールし、その後 2 回目の 15% 減少させると、316 チューブの成形限界を超えることなく、厚肉のシースに高い MgO 密度を与えることができます。-。 3 番目の変更は、MgO 粉末の仕様を変更することです。粗くて角張った MgO 粒子は、細かい球状の粉末よりも圧縮されやすいです。粒子サイズ分布が調整された高密度 MgO グレードは、同じスエージング条件で最終密度を 0.1 ～ 0.2 g/cm3 増加させることができます。これらの調整のそれぞれにより、製造コストが増加します。しかし、厚い壁が必須の状況では、そのコストは正当化されます。

信頼性の高い誘電性能のための壁の厚さと MgO 密度の選択マトリックス
次の表は、許容可能な最小 MgO 密度 2.8 g/cm 3 と室温で 10 kV/mm 以上の絶縁耐力を得るために必要な 316 シースの壁厚と製造要件の適切な組み合わせを示しています。

必要なスエージング肉厚 316 推奨されるスエージング削減 推奨されるスエージングパス数 達成可能な MgO 密度 特別な考慮事項
0.8 – 1.0 mm 15 – 20% シングルパス 3.0 – 3.2 g/cm3 標準的な方法、低コスト
1.0 – 1.2 mm 18 – 22% ワンパス 2.9 – 3.1 g/cm³ 適切な標準手順 1.2 – 1.4 mm 20 – 25% シングルまたはダブル光パス 2.8 – 3.0 g/cm³ サンプルテストで確認 1.4 – 1.6 mm 25 – 30% ダブルパスを推奨 2.7 – 2.9 g/cm³ 高密度 MgO グレード必要な
1.6 – 1.8 mm 28 – 32% ダブルパスが必要 2.6 – 2.8 g/cm3 限界、認定テストが必要
1.8 – 2.0 mm 30 – 35% 中間アニーリング ダブルパス 2.5-2.7 g/cm3 120V を超える電圧には推奨されません > 2.0 mm 不可 不可 2.5 g/cm3 未満 より小さい直径または異なる合金を使用してください
動作電圧が AC 250 V を超えるヒーターの場合、最小許容 MgO 密度を 3.0 g/cm3 に増やす必要があり、これにより、特別なスエージング手順が適用されない限り、316 シースの壁の最大厚さが 1.2 mm に実質的に制限されます。一部の産業機器や鉱山機器でよく見られる 600 VAC を超える高電圧アプリケーションでは、許容可能な絶縁耐力を維持するためにシースの壁の厚さを 1.0 mm 未満に保つか、ヒーターを金属シールドで構築し、接地して MgO 絶縁体から分離する必要があります。

生産品質保証のテストと検証の方法
スエージング装置、オペレータの技術、および流入するチューブの公差によって変動が生じるため、理論的な関係だけには依存しません。壁厚が 1.4 mm を超えるヒーターを指定する場合、エンジニアは製造サンプルからの MgO 密度の測定値を提供するようメーカーに要求する必要があります。これは通常、ヒーターの一部を切断し、圧縮された粉末の質量と体積を測定することによって行われます。最小密度は 2.8 g/cm3 の品質要件として言及されるべきであり、目標として言及されるべきではありません。完成したヒーターの絶縁耐力もテストする必要があります。通常の試験は、AC1,500 V に動作電圧の 2 倍を加えた電圧を抵抗線とシースの間に 1 分間印加します。これは、240 V ヒーターの場合は 1,500 + 480=1,980 VAC です。 MgO 密度が限界程度の厚肉シースは通常、周囲温度ではこの試験に合格しますが、動作温度に加熱すると合格しません。これは、MgO の絶縁耐力が温度とともに低下するためです。したがって、最良の検証は、500 度での断熱抵抗テストを行うことによって得られます。工業用ヒーターの断熱抵抗は通常 1 メガオーム以上ですが、寿命を延ばすためには 10 メガオームが望ましいです。絶縁破壊フィールドの故障は高価であり、多くの場合危険です。 MgO 密度を達成するために、より薄いシースを指定したり、より強力なスエージングを行ったりするための追加費用は、保証請求やさらに悪いことに感電の発生に比べればわずかです。