Korkeajännitteisissä PFA-lämmittimissä (480 VAC - 6,6 kV) ionien kulkeutuminen eristekerroksen läpi on ensisijainen vikamekanismi. Ionit (natrium, kalium, kloridi) kulkeutuvat PFA:n läpi sähkökentän alla ja muodostavat lopulta johtavia polkuja, jotka johtavat dielektrisen hajoamiseen. Ohut (0,1–0,3 mm) PTFE-vuorauksen lisääminen lämmityslangan ja ensisijaisen PFA-vaipan väliin voi vähentää ionien kulkeutumista 60–80 %. PTFE:llä on pienempi ionisten epäpuhtauksien pitoisuus (tyypillisesti 0,1–0,5 % vs Vuoraus toimii sulkukerroksena: ulomman PFA:n läpi kulkevat ionit pysähtyvät tai hidastuvat PTFE-rajapinnassa. PTFE-vuorausta suositellaan lämmittimille, jotka toimivat yli 1 000 VAC:ssa tai ympäristöissä, joissa on korkea kosteus. Lisäkustannukset (10–15 %) ovat perusteltuja pidennetyllä käyttöiällä kriittisissä korkeajännitepalveluissa.
Ionisiirtomekanismi PFA:ssa
Korkean sähkökentän alaisena PFA imee kosteutta ympäristöstä. Vesimolekyylit hydrolysoivat epäpuhtaudet (metallisuolat, katalyyttijäämät) liikkuviksi ioneiksi. Ionit ajautuvat kohti vastakkaisen napaisuuden elektrodia kentän alla. Ajan myötä ioneja kerääntyy PFA-metallirajapintaan (lämmityslanka) ja PFA:n ulkopinnalle. Kertyneet ionit luovat johtavan reitin, jolla on pienempi dielektrinen lujuus. Lopulta tapahtuu osittainen purkaus (jäljitys), joka hiilyttää PFA:n ja johtaa täydelliseen hajoamiseen. Migraationopeus noudattaa Fickin lakia kentän tehostamalla: J=μ × C × E, missä μ on ionin liikkuvuus, C on pitoisuus ja E on sähkökenttä. PFA:lle 480 VAC:ssa ja 100 asteessa tyypillinen aika ionin siirtymisestä epäonnistumiseen on 5 000–15 000 tuntia puhtaudesta riippuen.
PTFE:llä on pienempi ioniliikkuvuus, koska sen korkeampi kiteisyys (60–80 % vs PTFE-vuoraus sieppaa ioneja ennen kuin ne saavuttavat lämmityslangan. Ulomman PFA:n läpäisevät ionit kerääntyvät PFA-PTFE-rajapintaan, jossa ne eivät aiheuta seurantaa, koska kenttä on pienempi (PTFE-kerros laskee jonkin verran jännitettä). PTFE:llä on myös pienempi kosteuden imeytyminen (0,01 % vs. . 0.05-0,10 % PFA:lle), mikä vähentää liikkuvien ionien lähdettä.
Suorituskyvyn vertailu: PTFE-vuorauksella ja ilman
| Lämmittimen rakentaminen | Jännitteen luokitus | Käyttölämpötila | Aika dielektriseen jakautumiseen (tuntia, 85 % RH) | Dielektrinen lujuus (kV/mm, alku) | Vikatila |
|---|---|---|---|---|---|
| Vain PFA (2 mm) | 480 VAC | 100 astetta | 8,000–12,000 | 20–25 | Ioninen seuranta |
| Vain PFA (2 mm), korkean -puhtaushartsi | 480 VAC | 100 astetta | 15,000–20,000 | 22–28 | Viivästynyt seuranta |
| PFA + PTFE vuoraus (0,15 mm) | 480 VAC | 100 astetta | 25,000–40,000 | 25–30 | Ei seurantaa (vuoraus ehjä) |
| Vain PFA (2 mm) | 4 kV | 80 astetta | 500–1,500 | 15–20 | Nopea seuranta |
| PFA + PTFE vuoraus (0,3 mm) | 4 kV | 80 astetta | 4,000–8,000 | 22–28 | Seuranta vuorauksen läpi |
| Vain PFA (korkea{0}}puhtaus) | 4 kV | 80 astetta | 1,000–2,500 | 18–22 | Kohtalainen seuranta |
| PFA + PTFE + kosteudensietoja | 6,6 kV | 60 astetta | 10,000–15,000 | 25–30 | Hyväksyttävä rajoitetun elämän ajan |
| Vain PTFE (1 mm) | 480 VAC | 100 astetta | 20,000–30,000 | 25–30 | PTFE hiipii, vääntyy |
Käytännön toteutus
PTFE-vuoraus asetetaan ohuena putkena (lämmössä{0}}kutistuva tai liukuva-sovitus) vastuslankakokoonpanon päälle ennen PFA-ekstruusiota. Vuorauksen tulee olla saumaton tai siinä on oltava päällekkäinen hitsisauma (vähintään 5 mm) ionien ohituksen estämiseksi. PTFE:n on oltava korkea-puhtausaste (ei täyteaineita, ei kierrätettyä sisältöä). Ekstruusion aikana PFA sitoutuu PTFE-pintaan; adheesio on mekaanista (ei kemiallista sidosta), mutta tämä riittää sulkutoimintoon, koska rajapinta on tiukka.
Yli 1 000 VAC:n lämmittimille määritä:
PTFE vuorauksen paksuus: 0,15–0,30 mm (paksumpi korkeammalla jännitteellä)
PTFE:n puhtaus: neitsyt, korkea{0}}puhtaus, ei lisäaineita
Vuorauksen sauma: hitsattu limityksellä, jatkuvuus testattu
Kosteudensieppaus kylmäosassa ionilähteen vähentämiseksi (katso artikkeli #81)
Alle 240 VAC toimivissa lämmittimissä PTFE-vuorauksesta on vain vähän hyötyä, koska ionien kulkeutuminen on hitaampaa ja kenttä on alhainen.
Esimerkki kentästä
Puolijohdeuunissa käytettiin 4 kV PFA-lämmittimiä kosteassa ympäristössä (80 % RH). Tavalliset PFA-lämmittimet epäonnistuivat 800–1 200 tunnin kuluttua ionijäljityksen vuoksi, joka näkyy mustina hiilen jälkinä vaipan päällä. Tehdas siirtyi lämmittimiin, joissa oli 0,25 mm PTFE-vuoraus. Vikaaika pidentynyt 6 000–8 000 tuntiin-6-kertainen parannus. Tehdas lisäsi myös typen tyhjennyksen kylmään osaan, mikä pidensi käyttöikää 12,000+ tuntiin.
PTFE-vuorauksen rajoitukset
PTFE-vuoraus ei ole täydellinen ratkaisu äärimmäisen korkean{0}}jännitteen tai korkean lämpötilan{1}}käyttöön. Yli 180 asteen lämpötiloissa PTFE pehmenee ja hiipii menettäen esteen eheyden. Yli 10 kV:n jännitteillä vuoraus ei ehkä estä seurantaa, koska sähkökenttä voi ionisoida PFA:n ja PTFE:n välisen raon. Käytä tällaisissa sovelluksissa keraamisia -eristettyjä lämmittimiä (magnesiumoksidia) polymeerieristettyjen -lämmittimien sijaan.
Vuoraus lisää myös lämpövastusta: 0,25 mm PTFE:tä (k=0.25 W/m·K) lisää R=0.001 m²·K/W, mikä nostaa PFA:n sisäpinnan lämpötilaa 5–10 astetta tyypillisillä lämpövirroilla. Tämä vähentää hieman lämmittimen tehotiheyskykyä.
Johtopäätös: PTFE-vuoraus vähentää ionien kulkeutumista 60–80 %
Ohut (0,15–0,30 mm) PTFE-vuorauksen lisääminen lämmityslangan ja PFA-vaipan väliin vähentää ionien kulkeutumista korkeajännitteisissä lämmittimissä 60–80 %, mikä pidentää dielektrisen läpilyöntiaikaa 8 000–12 000 tunnista 25 000–40,80 VAC:iin. Vuoraus toimii esteenä liikkuville ioneille, jotka ovat ensisijainen syy seurantahäiriöihin kosteissa ympäristöissä. Määritä PTFE-vuoraus kaikille lämmittimille, jotka toimivat yli 1 000 VAC:ssa tai korkeassa{18}}kosteudessa (Suurempi tai yhtä suuri suhteellinen kosteus kuin 80 %). Kustannusten nousu 10–15 % saadaan takaisin pidemmällä käyttöiällä ja lyhennetyillä seisokkeilla. Teollisuuden standardijännitteillä (120–240 VAC) ja kuivissa olosuhteissa vuoraus on valinnainen. Korkealla-jännitteellä ionit ovat vihollinen. PTFE on este. Pysäytä ionit, lopeta vika. Määritä vuoraus.
