内部抵抗線とその電気的性能に対するきつい曲げの影響は何ですか?

PTFE シースは外側では問題ないように見えますが、曲げたときに内部の抵抗線に過度のストレスがかかると、内部にホット スポットが発生します。屈曲部は初期の焼損が頻繁に発生する箇所であり、基本的な原因は多くの場合ワイヤの機械的損傷であり、外観をいくら検査しても検出できない損傷です。きつい曲げ内部抵抗線 PTFE ヒーターの機能の影響を理解することは、要求の厳しい産業作業で成形浸漬ヒーターを指定または設置する人にとって基本です。

内部抵抗線の曲げに対する応答
各 PTFE 浸漬ヒーターの内部には金属抵抗線が入っています。通常使用される合金はNiCr（ニッケルクロム）合金（ニクロム）です。ワイヤーはヒーターの心臓部です。電流が流れると抵抗加熱が発生します。ほとんどの設計では、ワイヤはねじられて完全な螺旋コイルになるか、PTFE シースの全長にわたって真っ直ぐで均質なストランドとして配置されます。

次に、ヒーターをある形状に曲げます。次に、抵抗線を同じ曲線で曲げます。ワイヤの機械的応答は、曲げに対する相対的な位置の関数です。

曲がりの外側 - ワイヤーには張力がかかります。曲げ半径が十分に大きい場合、ワイヤは弾性的に引き伸ばされ、曲げ力が解放されると元の長さに戻ります。しかし、曲げが鋭すぎる場合、ワイヤーは弾性限界を超え、永久的な塑性歪みが発生し、局所的に薄くなります。

ワイヤは曲げ部の内側で圧縮応力を受けています。急激に曲げると、ワイヤーの内側の円が圧縮され、ワイヤーが座屈したり、ねじれたり、束になったりします。らせん状のワイヤ設計では、連続する巻線が互いに接触したり、間隔が不均等になったりすることがあります。

電気的な影響: ホットスポットと伸びたワイヤー
PTFE ヒーターの抵抗線がきつく曲がることにより、さまざまな種類の電気的故障が発生し、性能の低下と耐用年数の短縮につながります。

局所的な抵抗の増加
ワイヤーを伸ばして外側に曲げると、抵抗ワイヤーは細くなり、断面積が減少します。-電気抵抗は断面積に反比例するため、断面が薄いほど単位長さあたりの抵抗が大きくなります。抵抗が局所的に増加するということは、ヒーター全体に同じ電流が流れると、曲げられた部分が不釣り合いに大量の熱を生成することを意味します (電力=I2R)。これにより、ヒーターの残りの部分よりもはるかに温度が高くなるヒーターの小さな部分であるホット スポットが形成されます。

ホットスポットの影響
ホット スポットは、次のようなさまざまな障害メカニズムの原因となります。

抵抗線の酸化 - 温度が高いほど、NiCr 合金の酸化は速くなります。酸化により抵抗がさらに増加し​​、正のフィードバック ループが形成され、最終的にはメルトスルーや開回路につながります。-

周囲の PTFE シースの劣化 - PTFE は 110 度で継続的に動作できますが、局所的にホットパッチが 200 度以上になる場合があります。これらの温度では、PTFE が劣化し始め、絶縁耐力が失われ、おそらく腐食性の副生成物が放出されます。過剰な応力がかかる曲げ部分では、シースが軟化したり、変形したり、亀裂が入ったりする可能性があります。

疲労によるワイヤ寿命の低下-
曲げても伸びたワイヤが塑性変形によって破断しない場合、応力集中が発生します。熱サイクル（動作温度まで加熱し、周囲温度まで冷却する）を繰り返すと、ワイヤは膨張および収縮します。張力がかかった曲げ領域は周期的な機械的歪みにさらされ、疲労破壊を引き起こします。まっすぐな設計では何年も耐えられたワイヤーでも、急に曲げると数か月で故障する可能性があります。

バンチングとターン間の接触の問題
コイル状のワイヤ加熱要素では、曲線の内側のきつい曲がりによってコイルが圧縮され、隣接する巻線が接触する可能性があります。ターンが接触すると、電流が意図した螺旋を飛び越えて、その領域のワイヤの有効長が減少する可能性があります。これにより、局所的な抵抗（ワイヤの伸張効果に対する）が軽減されますが、電流の混雑と不均一な熱分布という別の問題が発生します。接点が局所的にアーク弧を描いたり加熱したりして、再びホットスポットが形成されることがあります。

実際には、ヒーター端子の電気抵抗測定値は、最初は正常な値を示している可能性があります。マルチメーターでは、ワイヤー全体の抵抗が仕様の範囲内にあるため、小さなホットスポットは検出できません。多くの場合、障害は一定期間の動作後、場合によっては数百時間、場合によってはわずか数日で発生し、最終的にホットスポットがワイヤを貫通して溶けたり、劣化した PTFE によってアースへの短絡が発生したりします。

曲げ試験後の内部ワイヤーの完全性
PTFE シースは透明ではないため、内部ワイヤを目視検査することはできません。品質を重視するメーカーは、X- 線検査を使用して、完成したベント ヒーター内のワイヤ レイアウトを分析します。 X線写真から次のことがわかります。-

コイル巻線の間隔が均等（バンディングや分離がない）

ワイヤーのよじれ、激しい曲がり、細さがないこと

シースの中心線に対するワイヤ位置の再現性

適切に形成された曲げは、加熱されたマンドレルの曲げと曲げ後のアニーリングによって元のワイヤ形状を維持しました。{0}}曲げの外側のワイヤーには弾性限界を超える応力がかからず、内側のワイヤーは座屈しません。ワイヤーの間隔が均一であるため、ヒーターの長さ全体にわたって均一な熱が促進されます。

熱サイクルが小さな曲げ損傷を悪化させる仕組み
ヒーターが少し締めすぎて曲がっていると、最初の電源投入だけでなく、数日間の連続運転にも耐えられる可能性があります。{0}}ただし、熱サイクル (加熱と冷却) は次の 2 つの方法で損傷を増大させます。

膨張差 - ワイヤと PTFE シースには異なる熱膨張係数があります。各サイクルは、ワイヤがすでに応力を受けている曲げ部分に局所的に発生するワイヤ-のシース接触部にせん断応力を生成します。

進行性酸化 - 各ホットスポットが高温に達すると、ワイヤ上に小さな酸化物のコーティングが作成されます。この酸化物層は導電性が低く、より脆いです。最終的に、ワイヤーは非常に細くなり、酸化して壊れてしまいます。

当社は現場での経験から、ヒーターを外径半径の 5 ～ 6 倍未満に曲げると、通常のサイクル条件下では通常 3 ～ 12 か月で故障しますが、適切に曲げた同一のヒーターは 5 年以上持続することがわかりました。

結論: 電気的信頼性は機械的精度です
長期的な電気的信頼性は、内部抵抗線を曲げ時の過剰な応力から保護することに基づいています。きつく曲げるとワイヤがねじれたり束になったりして局所的なホットパッチが発生し、酸化が促進され、PTFE シースが損傷し、早期の焼損につながります。初期の電気テストに合格する場合もありますが、使用中に隠れた損傷が必ず現れます。

この理解により、ヒーターの品質は機械的精度と電気的性能の組み合わせであるという、より一般的な結論につながります。加熱マンドレルの曲げ-曲げ、曲げ後のアニーリングおよび X- 検査にはストレスがなく、内部抵抗線の完全性を維持する同じ製造手順が使用されます。-最小曲げ半径を指定するだけでは、ワイヤを保護し、ホットスポットを防止し、産業用途に必要な長い耐用年数を提供するには不十分です。