A vezetőképes elasztomerek használata MIL/AERO csatlakozókban

Az elektromosan vezető tömítések javítják a fém és fémezett burkolatok EMI-árnyékolását, miközben javítják az elektromos kapcsolatot és egyes esetekben a szerkezeti földelést is.

Ezek a csatlakozások elsősorban RF kapcsolatok, és nem rövidzárlat vagy meghibásodás esetén fellépő nagyfeszültségű áram levezetésére szolgáló elektromos biztonsági csatlakozások. A repülőgépek villámcsapás elleni (LS/EMP) védelmének egy részét is képezhetik, bár ez csak egy kisebb jelentőségű másodlagos funkció, mivel az áram nagy részét ilyen esetben más szerkezetek vezetik. Ez az ellenállás akár 2,5 mΩ is lehet, és ezt nem nehéz elérni, ha a szerkezet két részét fém földelőszalagok kötik össze. Bizonyos esetekben azonban, mint például egy normál MIL-C-38999 csatlakozó esetében, a földelőszalagok nem használhatók vagy nem megfelelőek. Ehelyett a csavarok egy elektromosan vezető lapos vagy O-gyűrűs tömítéssel kiegészítve javíthatják a csatlakozó elektromos kapcsolatát a burkolattal.
Sajnos az ilyen típusú csatlakozásoknál néha előfordul egy jelenség: az elektromos ellenállás jellemzően R mΩ értéken indul, majd napok vagy hetek alatt fokozatosan a kezdeti érték három-négyszeresére nő, minden látható ok nélkül, miközben teljesen megfelelő környezetben van.
Sokan gyakran úgy vélik, hogy ennek a problémának az oka a tömítés instabilitása, és a lapos tömítések esetében ez néha igaz lehet a túlzott összenyomás miatt. A vezetőképes lapos tömítések maximális alakváltozásának mértéke általában a kezdeti vastagságuk 15%-a körül van. A kötőelemek túlzott mértékű meghúzása okozta rongálódások elkerülése közismerten nehéz a jellemzően ±10% és ±20% közötti vastagságbeli változások miatt. Ez a jelenség az ellenanya vagy O-gyűrűs tömítések használatakor is megfigyelhető; bár van fém-fém érintkezés, az ellenállás idővel mégis növekszik.

A mechanizmusok

A jelenség megértéséhez meg kell vizsgálnunk az illesztés fizikai és elektromos szerkezetét, azonosítanunk kell a vezetett áram útját, és számszerűsítenünk kell hozzájárulásukat az illesztés teljes ellenállásához. Meg kell határoznunk azokat a mechanizmusokat is, amelyek valószínűleg fokozott ellenállást eredményeznek.

1. ábra Csatlakozó­vizsgáló-berendezés és ellenállásmodell

Az 1. ábrán egy csatlakozóvizsgáló-berendezés látható, ahol a tömítés kék színű, a felső és alsó lemezek pedig a csatlakozó burkolatát, illetve a házát jelképezik, amelyeket négy M3-as rögzítőelem tart össze. A mellette látható elektromos kapcsolási rajzon:

• R_b – a csavar ellenállása
• R_c – a csatlakozó bevonatának ellenállása
• R_g – a tömítés ellenállása
• R_h – a ház bevonatának ellenállása

A házban és a csatlakozókban lévő tényleges fém ellenállását figyelmen kívül hagyhatjuk, mivel az nagyságrendekkel kisebb, mint a fent említett ellenállások.
Ebben az esetben két lehetséges áramköri út van:

• A tömítésen keresztül,
• a csavarfej és a csatlakozó burkolata közötti érintkezésen keresztül, majd
• a rögzítőelem teste és a ház menetein keresztül.

R_b párhuzamosan van kötve a többi ellenállással, és ha a meneteken keresztül fém-fém érintkezés van, ez kezdetben alacsony érintkezési ellenállást eredményezhet. Mivel azonban az érintkezés oxidálódik, vagy a tömítés fokozatos, maradandó összenyomódása miatt csökken a menetre nehezedő nyomás, ez az áramköri út teljesen megszűnhet, vagy az ellenállás jelentősen megnőhet.

Tegyük fel a következőket:

• A ház és a csatlakozó alumíniumötvözetből készült.
• Mindkettőt MIL-DTL-5541, II. típusú, 3. osztályú konverziós bevonattal kezelték.
• Az egyes felületeken legfeljebb 2,5 mΩ/in² fajlagos ellenállás mérhető; összesen 5 mΩ/in² a mintadarabon keresztül a műszaki adatok szerint.

Az alábbi táblázatok összefoglalják a tömítés és a felület tulajdonságait, valamint az egyes tulajdonságok hozzájárulását az illesztés ellenállásához (a kötőelemek ellenállásra gyakorolt hatását figyelmen kívül hagyva).

1. táblázat Az illesztés tulajdonságai

2. táblázat Az illesztés ellenállásai

A tömítés felületének területe megegyezik a MIL-C-38999 csatlakozótömítés burkolatának 19-es méretével (kb. 4,8 cm² vagy 0,75 in²). Ennek a tömítésnek az átmenő ellenállását az R=ρL/A képlet segítségével lehet kiszámítani, ahol:

• p a fajlagos térfogati ellenállás Ω cm mértékegységben kifejezve,
• L a vastagság cm mértékegységben kifejezve és
• A a terület cm² mértékegységben kifejezve.

2. ábra A tömítés méretei

Kerülni kell a túlzott mértékű összenyomást

A lényeg, hogy ha egy lapos, elektromosan vezető EMI-tömítés sértetlen marad, akkor annak teljes hatása az illesztés-ellenállásra nagyon kicsi, ebből a legnagyobb tényezőt a „vezetőképes” krómozott bevonat jelenti.
Ahogy már korábban említettük, egyes részegységek (bár nagyon kis csatlakozók) valóban elérik a < 10 mΩ érintkezési ellenállást, amely az idő múlásával fokozatosan növekszik. A lapos tömítéseknél ez általában a csavarokon keresztül történő elektromos csatlakozás eredménye, ahol a meneteken lévő krómozott bevonat meghúzáskor lekopik, és egy kis felületet biztosít a fémmel való érintkezéshez.

3. táblázat A menetes érintkezés tulajdonságai

4. táblázat Menetek érintkezése a tömítéssel együtt

A tiszta alumínium fajlagos térfogati ellenállása körülbelül 2,65 E-6 ohm cm (2,65 micro-Ohm cm), vagyis valamivel több mint 3000-szer kisebb, mint a tömítés 0,008 mΩ cm-es ellenállása. Ennek eredményeképpen ahhoz, hogy elérjük ugyanazt a 10 mΩ átmenő ellenállást csupán 0,81 mm vastagságú fémérintkezéssel, 0,01 mm² területű felületre van szükség. Egy ekkora felület könnyen létrejön a csatlakozó csavarjainak meghúzásakor, ha a csavarok vezetőképes felülettel rendelkeznek, és a meghúzás során lekopik róluk a krómozott bevonat. Néhány menet egy csavaron ezzel az érintkezési felülettel 2,15 mΩ ellenállást eredményez a 7,49 mΩ-os tömítéssel párhuzamosan (436 mm²).
Mivel ez az ellenállás párhuzamosan van kapcsolva a 2. táblázatban szereplő ellenállásokkal, a párhuzamos ellenállásokra vonatkozó képlet alkalmazásával az eredmény 1,67 mΩ.
A legfontosabb szempont itt az, hogy ezen kötőelemek érintkezései nem stabilak, különösen, ha túlzott mértékű összenyomás tapasztalható. Ebben az esetben a tömítés idővel lassan elmozdul, jellemzően a sarkoknál, csökkentve a csavarok terhelését. Ennek eredménye az érintkezés megszűnése a meneteknél, a tömítésre gyakorolt nyomás csökkenése, majd az ellenállás növekedése. Még ha a tömítés nem is sérül a csavarok túlhúzása miatt, akkor is valószínű, hogy a tömítés maradandó összenyomódást mutat, ami kisebb nyomóterhelést jelent a tömítésre nézve, és ennek következtében megnő az átmenő ellenállás.

A tömítés kiválasztása

A lemezanyagból kivágott lapos, vezetőképes EMI tömítés hiányosságai kétféleképpen küszöbölhetők ki:

• Horonyba helyezett O-gyűrű vagy D-gyűrű használatával, illetve
• öntött „lapos” tömítés használatával, ahol a házon vagy a csatlakozón, illetve magában a tömítésben összenyomódást megakadályozó ütközők találhatók.

Az O-gyűrűkkel kapcsolatban az alábbi két tényezőt kell figyelembe venni (a lapos tömítésekhez hasonlóan):

• Az O-gyűrű által biztosított érintkezési felület területe, valamint
• a fém-fém felület érintkezési területe (a csavarmenetek nélkül).

Ha ismét egy 19-es házméretű csatlakozót veszünk alapul, a megfelelő O-gyűrű belső átmérője körülbelül 40 mm, keresztmetszete pedig 1,78 mm. Megfelelő tervezés esetén azt mondhatjuk, hogy az érintkezési felület a horony teljes szélessége lesz. Így a tömítés érintkezési felülete körülbelül 257 mm² területű, vastagsága pedig körülbelül 1,45 mm, ezzel a tömítés ellenállása a krómozott felületekkel együtt 17 mΩ lesz. Ennek eredményeképpen a 10 mΩ alatti ellenállás eléréséhez szükséges párhuzamos fém-fém érintkezési felület területét kell kiszámítanunk. A párhuzamosan kapcsolt ellenállások képletét használva azt kapjuk, hogy a fém-fém érintkezési ellenállásnak körülbelül 20 mΩ-nak kell lennie. Ha ez 5 mΩ/in² ellenállású krómozott felülettel való tökéletes érintkezésen keresztül történik, akkor 0,25 in² (1,6 cm²) területű érintkezési felületre van szükség, ami lehetséges, de nem valószínű. Ezt a gondolatot szem előtt tartva az illesztésnél vagy csupasz fém-fém érintkezés szükséges, elfogadva, hogy a krómozott felület sérülése nem elkerülhető, vagy valami olyasmit kell használni, mint egy földelőszalag, amelyet szorosan a csupasz fémfelülethez kell rögzíteni.
A második lehetőség, hogy a lapos tömítést gyakorlatilag egy öntött tömítésre cseréljük (esetleg összenyomást megakadályozó ütközőkkel együtt), ami használhatóbb és megbízhatóbb megoldást kínál, de drágább is.

Méret és testreszabás

Összefoglalva, az elektromosan vezetőképes lapos tömítések mindaddig működnek a katonai specifikációjú légi közlekedési és űrhajózási csatlakozók elektromos kapcsolatának biztosításához, amíg elég nagyok, és épek maradnak a csavarok által kifejtett terhelés hatására. Az O-gyűrűs tömítések szintén működnek, és védelmet nyújtanak a túlzott összenyomás ellen, de a lapos tömítésekhez képest kisebb az érintkezési felületük területe.
Az öntött tömítés a testreszabási lehetőségeivel optimális megoldást kínál a légi közlekedési és űrhajózási iparágban a csatlakozókhoz való alkalmazáshoz. Bár a beszerzési árát tekintve valamivel többe kerül, mint a lapos tömítés vagy az O-gyűrű, ám az öntött tömítés számos előnnyel jár a tervezés és a fenntartási költségek terén. Például a lemezből kivágott tömítésekhez képest általában kevesebb tömítőanyagra van szükség, ami számos alkalmazásban csökkenti a költségeket, miközben kevesebb rögzítő­elemmel is teljesíthetők az összenyomási/hajlítási követelmények, ami jobb karbantarthatóságot eredményez. Továbbá a tervezőmérnökök könnyebben elhelyezhetik a rögzítőelemeket a tömítésen belül vagy kívül, csökkentve ezzel az EMI és a nedvesség beszivárgását a burkolatba a rögzítőelemek nyílásain keresztül.
A gyártás során megtakarítás is elérhető, mivel a tömítés, a burkolat és az összenyomást megakadályozó ütközők egyetlen alkatrésszé válnak, ami csökkenti a beszerzendő tételek számát, a raktárkészletet és a dokumentáció mennyiségét. Utolsó pontként, az öntött tömítések használatával kiküszöbölhetők a nem egyforma és költséges elektromos összekapcsolások.

A bevonat ellenállása

A MIL-DTL-5541 II. típusú, 3. osztályú bevonat mindig jelentős részét képezi bármely elektromosan vezető csatlakozás ellenállásának, mivel a konverziós bevonat fajlagos térfogati ellenállása körülbelül 45 Ωcm, és vastagsága 0,25 és 0,5 µm (10–20 mikrohüvelyk) között van. Ehhez képest a tömítés fajlagos térfogati ellenállása néhány milliohm cm és néhány ohm cm között van.
Abban az esetben, ha nagyon kis csatlakozótömítéseken sikerül alacsony milliohm ellenállást elérni, valószínű, hogy megsérült a króm-konverziósbevonat a ház vagy a csatlakozó felületén vagy a csavarmeneteken, és ez az alacsony érintkezési ellenállás valószínűleg nem lesz stabil.
Másfelől, ha a csatlakozó elég nagy, illetve például négy olyan csatlakozóval rendelkezik, amelyek tömítési felületének területe körülbelül 3,2 cm² (0,5 in²) vagy annál nagyobb, akkor elérhető alacsony milliohmos érintkezési ellenállás. Ha nem rendelkezik megfelelő nagyságú felülettel, akkor lehet, hogy a konverziós bevonat helyett fontolóra kell venni galvanizált felület használatát.

Szerző: Gerard Young – Alkalmazástechnikai mérnök,
Parker Hannifin Chomerics Division Europe

www.parker.com