آیا افزودن یک لاینر نازک PTFE بین سیم گرمایش و PFA می‌تواند مهاجرت یونی را در سرویس ولتاژ بالا کاهش دهد؟

مهاجرت یونی از طریق لایه عایق یکی از دلایل اصلی خرابی بخاری‌های PFA ولتاژ بالا (480 VAC تا 6.6 کیلو ولت) است. تحت میدان الکتریکی یون‌ها (سدیم، پتاسیم، کلرید) از طریق PFA جریان می‌یابند و در نهایت کانال‌های رسانا را تشکیل می‌دهند که منجر به تجزیه دی الکتریک می‌شود. یک آستر PTFE نازک (0.1-0.3 میلی متر) که بین سیم گرم کننده و غلاف اصلی PFA قرار می گیرد می تواند مهاجرت یونی را 60-80٪ کاهش دهد. PTFE غلظت ناخالصی یونی کمتری دارد (معمولاً 0.1-0.5٪ در مقابل{10}}-3٪ برای PFA معمولی) و ساختار کریستالی پایدارتری دارد که مانع حرکت یون می شود. لاینر یک لایه مانع است. یون هایی که از طریق PFA بیرونی حرکت می کنند در رابط PTFE متوقف یا عقب مانده می شوند. برای بخاری هایی که بیش از 1000 VAC یا در تنظیمات رطوبت بالا کار می کنند، آستر PTFE پیشنهاد می شود. هزینه اضافه شده (10-15٪) با عمر طولانی در خدمات ولتاژ بالا بحرانی توجیه می شود.

مکانیسم مهاجرت یونی در PFA
PFA رطوبت را از محیط اطراف تحت میدان الکتریکی بالا جذب می کند. آلاینده های کمیاب (نمک های فلزی، بقایای کاتالیزور) توسط مولکول های آب به یون های متحرک هیدرولیز می شوند. میدان باعث می شود یون ها به سمت الکترود با قطب مخالف حرکت کنند. یونها در تماس فلزی PFA{3} (سیم گرمایش) و در سطح بیرونی PFA در طول زمان ایجاد می‌شوند. یون های انباشته شده یک مسیر رسانا با کاهش قدرت دی الکتریک تشکیل می دهند. در نهایت یک تخلیه جزئی (ردیابی) رخ می دهد که PFA را کربن می کند و باعث خرابی کامل می شود. نرخ مهاجرت توسط معادله فیک با افزایش میدان به دست می‌آید: J=mu x C x E، که در آن mu تحرک یون، C غلظت و E میدان الکتریکی است. زمان شکست به دلیل مهاجرت یونی برای PFA در 480 VAC و 100 درجه معمولاً 5000 تا 15000 ساعت است که بستگی به خلوص دارد.

PTFE به دلیل بلورینگی بالاتر (60-80٪ در مقابل 40-50٪ برای PFA) و بی اثری شیمیایی، که مانع از انتقال یون می شود، تحرک یونی ضعیف تری دارد. آستر PTFE یون ها را قبل از رسیدن به سیم گرم شده می گیرد. با این حال، یون‌هایی که PFA خارجی را سوراخ می‌کنند در رابط PFA{6}}PTFE جایی که میدان ردیابی ایجاد نمی‌کنند (لایه PTFE مقداری ولتاژ را کاهش می‌دهد) را سوراخ می‌کنند. PTFE همچنین آب کمتری را جذب می کند (0.01٪ در مقابل 0.05-0.10٪ برای PFA)، که منبع یون های متحرک را کاهش می دهد.

مقایسه عملکرد: با در مقایسه با بدون PTFE طراحی بخاری لاینر رتبه بندی ولتاژ زمان دمای عملیاتی تا خرابی دی الکتریک (ساعت، 85٪ RH) قدرت دی الکتریک (kV/mm، اولیه) حالت شکست
فقط PFA (2 میلی‌متر) 480 VAC 100 درجه 8,000–12,000 20–25 ردیابی یونی PFA only (2 میلی‌متر) با خلوص بالا-رزین خلوص 480 VAC 100 درجه 15,000–20,000 22–28 ردیابی تاخیری
آستر 480 PFA + PTFE (0.15 میلی متر) VAC 100 درجه 25000-40،000 25-30 بدون ردیابی (لاینر سالم)
فقط PFA (2 میلی‌متر) 4 کیلوولت 80 درجه 500-1،{4}} ردیابی سریع
بوش PFA + PTFE (0.3 میلی متر) 4 کیلو ولت 80 درجه 4000-8،{6}} ردیابی از طریق لاینر
PFA منحصراً (-خلوص بالا) 4 کیلو ولت 80 درجه 1000-2،500 18-22 ردیابی متوسط
PFA + PTFE + رطوبت گیر 6.6 کیلوولت 60 درجه 10000-15،{6}} قابل قبول برای عمر محدود
PTFE فقط (1 میلی‌متر) 480 VAC 100 درجه 20000–30،000 25–30 PTFE تغییر شکل می‌دهد، خزش می‌کند
برنامه دنیای واقعی-
قبل از اکستروژن PFA، لاینر PTFE به عنوان یک لوله نازک (قابل انقباض یا لغزش مناسب) روی مجموعه سیم مقاومت قرار می گیرد. آستر باید بدون درز یا با یک همپوشانی (حداقل 5 میلی متر) جوش داده شود تا از بای پس یون جلوگیری شود. PTFE باید از درجه خلوص بالا (بدون پرکننده، بدون بازیافت) باشد. PFA در طول اکستروژن به سطح PTFE متصل می شود. پیوند مکانیکی است (بدون پیوند شیمیایی) اما برای عملکرد مانع کافی است زیرا تماس محکم است.

برای بخاری های بیش از 1000 VAC مشخص کنید:

ضخامت آستر PTFE: 0.15-0.30 میلی متر (ضخیم تر برای ولتاژ بیشتر)

خلوص PTFE: بکر، خلوص بالا، بدون افزودنی

درز آستر: جوش همپوشانی، تداوم بررسی شده است

جذب کننده رطوبت در منطقه سرد برای به حداقل رساندن منبع یون (به مقاله #81 مراجعه کنید)

برای بخاری هایی که کمتر از 240 VAC کار می کنند، آستر PTFE سود کمی دارد زیرا مهاجرت یونی کند و میدان کم است.

تست میدانی
یک کوره نیمه هادی با بخاری های PFA 4 کیلوولت در یک اتمسفر مرطوب (80٪ RH) استفاده شد. بخاری‌های استاندارد PFA در 800 تا 1200 ساعت به دلیل ردیابی یونی که به‌عنوان خطوط کربن سیاه روی غلاف ظاهر می‌شود، از کار افتادند. کارخانه به بخاری هایی با آستر PTFE 0.25 میلی متری تبدیل شد. زمان شکست به 6000-8000 ساعت افزایش یافت - 6× بهبود. همچنین، کارخانه یک پاکسازی نیتروژن در منطقه خنک نصب کرد که بیشتر عمر را به 12،{14}} ساعت افزایش داد.

### معایب آسترهای PTFE
آستر PTFE پاسخ کاملی برای استفاده از ولتاژ بالا یا دمای بالا نیست. در دمای بیش از 180 درجه، PTFE نرم می شود و می خزد، بنابراین یکپارچگی مانع خود را از دست می دهد. برای ولتاژهای بیش از 10 کیلو ولت، لاینر ممکن است در برابر ردیابی محافظت نکند، زیرا میدان الکتریکی می تواند شکاف بین PFA و PTFE را یونیزه کند. برای این کاربردها از بخاری‌های{5}}عایق‌شده سرامیکی (اکسید منیزیم) استفاده کنید، نه از بخاری‌های عایق‌شده پلیمری-.

آستر همچنین مقاومت حرارتی را ارائه می دهد: 0.25 میلی متر PTFE (k=0.25 W/m·K) R=0.001 m 2 ·K/W اضافه می کند و دمای سطح داخلی PFA را 5-10 درجه در شارهای حرارتی معمولی افزایش می دهد. این امر به طور جزئی قابلیت چگالی توان بخاری را محدود می کند.

نتیجه گیری: مهاجرت یونی به طور قابل توجهی (60-80٪) توسط لاینر PTFE کاهش می یابد.
یک آستر PTFE نازک (0.15{2}}0.30 میلی متر) بین سیم گرمایش و غلاف PFA، مهاجرت یونی را 60-80٪ در بخاری های ولتاژ بالا کاهش می دهد. این امر زمان شکست دی الکتریک را از 8000-12000 ساعت به 25000-40000 ساعت در 480 VAC افزایش می دهد. لاینر مانعی برای یون های متحرک است که عامل اصلی شکست ردیابی در شرایط مرطوب هستند. برای هر بخاری که بیش از 1000 VAC کار می کند یا در سرویس رطوبت بالا (بیشتر یا مساوی 80٪ RH)، یک آستر PTFE تهیه کنید. هزینه اضافی 10-15٪ در طول عمر طولانی و خرابی کمتر جبران می شود. لاینر برای ولتاژهای معمولی صنعتی (120 تا 240 VAC) اختیاری است و شرایط خشک یون ها در ولتاژ بالا دشمن هستند. مانع PTFE است. یون ها را متوقف کنید، شکست را متوقف کنید. آستر را مشخص کنید