本質安全電路中熱元件澆封的評估與測試

(佳木期防爆電機研究所，黑龍江 佳木斯 154000)

1 引言

本質安全型“i”是電氣設備的一種防爆型式，它將設備內部和暴露于潛在爆炸性環境中的連接導線可能產生的電火花和熱表面限制在不能產生點燃的水平[1]。實際應用中，在考慮熱表面點燃的符合性問題時，如果熱元件(例如：二極管或電阻)在正?；蚬收锨闆r下表面溫度超過了本質安全型“i”防爆標準中的要求，而又不能有效的降低其功耗即發熱，實驗室往往會要求設備制造商采用澆封化合物把熱元件澆封起來，以降低熱元件的點燃能力。這時實驗室需要評估或測試選用澆封化合物是否符合要求，其澆封化合物的體積和厚度能否將化合物表面溫度降低至防爆標準所要求的值，同時還要求被澆封在化合物中的熱元件達到的最高溫度不能超過澆封化合物的溫度額定值[2]。

被澆封的熱元件其功耗可以測量，澆封后化合物的外表面溫度也可以測量，而熱元件表面與化合物的臨界處的溫度不易測量，所以本文引入導熱系數概念，通過一些熱學的理論推導和實際樣品的測試數據做驗證，來尋求一種簡便有效的評估和測試方法，用于實驗室日常的檢驗工作。

2 澆封化合物的選用

澆封化合物的種類很多，根據所需用途有著不同的性能特點，例如力學性能、絕緣性能、阻燃防水性能以及導熱性能等。常見的用于散熱的澆封化合物為環氧導熱膠、有機硅導熱膠、聚氨酯導熱膠等，其中環氧導熱膠應用最為廣泛，其各項指標中導熱系數是重要的一項，導熱膠的導熱系數一般為0.8W/(m·K)左右，是空氣的30多倍，而普通的環氧膠也就在0.3W/(m·K)左右[3]。所有的澆封化合物其儲存和使用溫度都有額定值要求，超過其溫度范圍，化合物會變性或開裂等，影響澆封效果。被澆封的熱元件如果發熱溫度超過此范圍，將會導致澆封和防爆性能的失效。

3 澆封化合物的熱傳導

通過制造商選用的澆封化合物附帶的參數表，知道了其導熱系數，根據傅立葉定律，假設化合物為均相材料，其熱阻R可寫作：

(1)

式中,L和A分別為澆封通道長度和熱流量通過的面積;94λ為通道材料即澆封化合物的導熱系數。理論上的A是一定厚度的平板狀的澆封化合物平板面積；實際澆封時，由于熱元件形狀各異，A的測算有一定偏離。

另一方面，熱元件到化合物外表面的散熱，我們可以理解為熱傳導，該傳熱路徑上的熱阻，單位為K/W或℃/W，即為熱功率q通過熱阻為R的通道時所消耗的溫降(ΔT)，其定義式為：

(2)

式中，T2為澆封化合物外表面溫度；T1為熱元件表面與澆封化合物臨界處溫度。理論上(1)和(2)中的熱阻R應相等，由公式(1)和(2)可導出：

(3)

也就是說，T1和T2溫差可以計算，這樣我們測出澆封化合物外表面的溫度，在知道化合物澆封的厚度L和熱流量通過化合物面積A前提下，可以推算出被澆封在化合物中的熱元件達到的溫度，并判斷出其是否超過澆封化合物的溫度額定值。

如果我們不知道化合物的導熱系數呢，問題就復雜些。這時我們可以采取兩種方法：一種是做一個小樣品的測試，需要把熱電偶埋入澆封化合物中熱元件的表面，給熱元件施加功率后，同時測得熱元件表面的溫度T1和化合物表面的溫度T2，根據小樣品的澆封的厚度和熱元件的表面積，利用下列公式(4)計算出導熱系數λ。

(4)

求得導熱系數λ后，可以應用到本質安全電路中任何需要澆封的熱元件在不同功率以及不同澆封尺寸的溫度推算，最后做符合性判定。

另一種方法可以更加簡便化，但也有一定風險，我們不去實測選用的澆封化合物的導熱系數，我們按最小的核算，即普通的環氧膠0.3W/(m·K)的數據，計算出熱元件表面的溫度T1，只要其不超過化合物的額定溫度范圍，就認為澆封效果符合，這種方法對于防爆檢驗這種定性的評估，也很實用。這種方法的風險在于可能把符合的澆封判為不符合了。

為了驗證上述的公式和方法是否符合應用實際，把理論計算值和實際測試值進行對比分析，驗證公式和方法的可行性，我們設計了以下試驗方案。

4 方案設計與結果分析

4.1 原料及主要設備

原料：環氧導熱膠150、電阻2W 20Ω若干；

主要設備：穩壓電源、溫度記錄儀、熱電偶、電流表、電壓表、萬用表、游標卡尺、引線若干；

環氧導熱膠150的各項參數：導熱系數0.8W/(m·K)、溫度范圍-50～130℃、絕緣強度20kV/mm、邵氏硬度80。

4.2 測試方法

采用導熱膠150對電阻元件進行不同厚度(即不同體積)的圓柱狀澆封，并在不同電壓下即不同功耗時，對澆封電阻元件內外表面溫度進行跟蹤測量。當表面溫度達到穩定傳熱狀態后，記錄測量電壓和電流，計算電阻元件功耗q，由固定于在電阻元件表面的熱電偶(1～9號線)測量電阻元件澆封后內、外兩側的溫度差 ΔT。對電阻元件澆封的示意圖如圖1所示。

測得的溫度值均按環境溫度40℃進行了修正，澆封厚度為4mm時，試驗的具體溫度數據見表1，由公式(4)分別計算出導熱膠的導熱系數 λ，具體見表1和圖1。

表1中，澆封4mm厚的導熱膠時，相比于未澆封電阻表面溫度(T0)，澆封后電阻元件表面溫度(T1)大致降低范圍為18～25℃，可見澆封降低了電阻元件表面的溫度，導熱膠起到了增強散熱的能力。A的測算，采用了圓柱狀澆封體積做變換成4mm厚的平板體表面積，電阻元件在不同功耗時，其計算導熱膠導熱系數λ為0.65～0.72W/(m·K)之間，與供應商提供的環氧導熱膠理論導熱系數0.80W/(m·K)接近，這里的誤差主要來自于圓柱這種形狀導致A的測量和計算的不確定性。而澆封后導熱膠內、外溫差在16.3～63.2℃范圍內，由公式(4)可推導出在不同發熱功率時其導熱系數為變化值，由圖2可看出，電阻元件功耗最大時，偏離最大，分析原因可能是元件表面的溫度升高到一定程度，超過了選用的導熱膠150的溫度額定值130℃，釋放的熱量對電阻周圍環境有了一定的影響，從而導熱系數降低明顯。

功率P(W)未澆封電阻表面溫度T0(℃)澆封后電阻的表面溫度T1(℃)環氧導熱膠外表面溫度T2(℃)溫差ΔT=(T1-T2)(℃)100105158790716016312513785115108840267180170051481510410440519818325158501084050124520825184901217632

圖2

P(W)澆封厚度：2mmT1(℃)T2(℃)ΔT(℃)澆封厚度：3mmT1(℃)T2(℃)ΔT(℃)澆封厚度：4mmT1(℃)T2(℃)ΔT(℃)10102267334991169221987971616312513468285181171817535351151884267181681115769415098151914815104144051981795120775816111026585158510845012452127513569515190811425765518491217632

由表2和圖3中看出，同樣環境條件下，2W 20Ω電阻澆封相同長度、不同厚度的導熱膠，電阻元件的表面溫度隨厚度增大而降低。

分析表2和圖4，在相同功耗時，隨著澆封厚度L增加，熱流量通過的面積A也相應變大，L/A最終變小，導致澆封化合物熱阻變小，T1和T2的溫差變小了。

5 結論

(1)導熱膠能夠有效的降低熱元件表面的溫度，但澆封的厚度如果很薄，比如試驗中的2mm厚，其效果通過表1中未澆封的溫度值T0和表2中T1的比較，

可見基本不起散熱作用，所以我們建議本安電路中要求澆封熱元件的厚度至少3mm，這也與澆封型“m”防爆設備所要求的澆封厚度最小3mm相一致。

(2)對于固定的熱元件和澆封化合物(型號和澆封尺寸)，熱元件的不同的功耗即發熱情況下，澆封前和澆封后的溫度降低差值是基本不變的，這個結論我們在實際應用中可以加以利用，知道了一個功率下的溫度降低差值，可以推算出其在故障時最大功率下的溫度降低差值。

(3)通過實測澆封化合物表面溫度，利用公式(3)可以推算出被澆封在化合物中的熱元件的溫度值，并判斷其是否超過澆封化合物的溫度額定值。但這里，推算的誤差主要集中在A的測算上，需要修正，實際本質安全電路中的澆封往往為立方體形狀，A值可以簡化為不隨厚度而變化，會降低誤差。防爆檢驗的定性判斷前提下這種誤差可以接受，是一種實驗室對熱元件澆封的符合性的評估與測試的簡便有效思路。

(4)導熱膠的導熱系數在其內部溫度不超過導熱膠額定溫度范圍內可以認為基本不變，當溫度超過導熱膠的額定溫度范圍時，導熱系數降低的很嚴重，這種情況在本安電路熱元件澆封中是要避免的，也是本質安全型“i”防爆標準所不允許的。

(5)本驗證方案在設計中存在著一些不妥之處，例如，澆封的形狀選擇了圓柱狀，而沒有選擇應用中更常見的立方體，這給澆封的熱流量通過化合物面積A的測算增加了難度和不確定性。還有澆封厚度2mm，3mm，4mm間隔不夠大，施加在電阻元件的功率也應盡可能在電阻的額定功率內分幾個檔，同時使導熱膠內部溫度不超過其溫度額定值。

[1]陳向東.煤炭科學研究總院.礦用本質安全電路中的澆封技術[J].煤礦開采,1996，22(3)：31-33.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備：GB 3836.4-2010[S].北京：中國標準出版社，2011，8.

[3]韓志慧，劉傳超，范和平.導熱絕緣膠粘劑的研究進展及其在金屬基板上的應用[J].印制電路信息，2011(4)：9-1.