Ochrana citlivých elektronických zařízení před rázy, vibracemi a teplotou

Rázy, vibrace a nadměrné zahřívání jsou hrozbou pro všechny návrhy elektronického systému, protože mohou rychle vést k selhání systému. Nadměrný hluk při provozu povede také ke stížnostem zákazníků a nepřiměřenému počtu volání s žádostmi o opravu. Špatné chlazení může navíc zvyšovat náklady.

Vibrace a hluk mohou pocházet z nesprávně namontovaného chladicího ventilátoru. Vzduchovými netěsnostmi kolem servisních panelů a přístupových portů může unikat studený vzduch, což vede ke zvyšování teploty vzduchu a snižování účinnosti chlazení ve ventilačních a klimatizačních systémech. Kryty mohou v důsledku mechanických rezonancí rachotit a vibrovat.

Přestože hluk, vibrace a zvýšení teploty jsou téměř nevyhnutelné, je třeba je minimalizovat. Konstruktéři k tomu mohou využít těsnění, nárazníky a tlumiče z polyuretanové pěny absorbující energii. Výběr správného materiálu však vyžaduje rozumět jeho primárním vlastnostem a možnostem výkonu.

Tento článek pojednává o klíčových vlastnostech, které musí konstruktéři zvážit při výběru tlumicího materiálu, a jako příklady ze skutečného světa jsou v něm uvedeny výrobky z polyuretanové pěny ISOLOSS LS společnosti 3M. V článku je ukázáno, jak lze produkty z polyuretanové pěny ISOLOSS LS použít k ochraně kriticky důležitých zařízení v nejnáročnějších aplikacích, aby se konstruktérům ušetřil čas a náklady.

Polyuretanová pěna ISOLOSS LS

Materiály ISOLOSS společnosti 3M jsou polyuretanové pěny s vysokou hustotou a jemnou pórovitou strukturou. Jsou odolné a absorbují energii s nízkou trvalou deformací v tlaku a konzistentní sílou-průhybem a jsou použitelné v širokém teplotním rozsahu. Materiály jsou k dispozici v různých hustotách, tloušťkách a tvarech, včetně těsnicích pásků, kruhů a čtverců a čtvercových a obdélníkových desek (obrázek 1).

Obrázek 1: Polyuretanová pěna ISOLOSS LS společnosti 3M je k dispozici v různých praktických tvarech připravených k použití jako nárazníky, těsnění, izolátory vibrací a tlumicí desky. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Kromě toho, že je k dispozici v různých tvarech, je polyuretanová pěna ISOLOSS LS k dispozici také ve čtyřech různých hustotách: 160,2 (10), 240,4 (15), 320,4 (20) a 400,5 (25) kg/m³ (liber/stopa³). Hustoty jsou důležité pro přizpůsobení polyuretanové pěny konkrétním aplikacím. Všechny tyto pěnové produkty fungují v teplotním rozsahu −40 °C až +107 °C (−40 °F až 228 °F).

Polyuretanová pěna se používá ve třech různých třídách aplikací: těsnění, odpružení a podpora a řízení energie. Těsnění vyžaduje schopnost utěsnit mezery, absorbovat mechanické rázy a vibrace a zajistit utěsnění mezi styčnými povrchy. Těsnění mezi ventilátorem a krytem zajišťuje izolaci vibrací a poskytuje těsnění, které zabraňuje ztrátě tlaku. Odpružení a podpora zahrnují vzájemné izolování předmětů od sebe, jako je nárazník na senzoru zavírání dveří k monitorování zavření dveří. Nárazník tlumí spínač a při zavírání dveří snižuje otřesy. Pro tento druh aplikací se běžně používají menší kruhové a čtvercové podložky, jako např. model LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK nebo LS-2006-PSA-2-X2-50PK. Řízení energie zahrnuje snížení mechanické energie tlumením nárazů nebo rázů a tlumením vibrací.

Klíčové vlastnosti polyuretanové pěny

Všechny tyto aplikace závisí na vlastnosti pěny udržet si svůj tvar a působit silou proti předmětu, který ji stlačuje. Dvě specifikace polyuretanové pěny, které tyto vlastnosti měří, jsou odolnost proti trvalé deformaci v tlaku, obvykle označovaná jako trvalá deformace v tlaku, a kompresní síla-průhyb („compression force deflection“, CFD).

Trvalá deformace v tlaku je mírou trvalé deformace pěny po dlouhodobém stlačení. Nízká hodnota trvalé deformace v tlaku znamená, že se pěna po opakovaném nebo nepřetržitém stlačení vrátí do své původní tloušťky. Podle ASTM D1667, standardní specifikace pro flexibilní pórovité materiály, vykazují pěny ISOLOSS LS společnosti 3M trvalou deformaci v tlaku při pokojové teplotě méně než 1 %.

Měření trvalé deformace v tlaku je specifikováno ve standardu ASTM D3574 D, který pokrývá standardní zkušební metody pro flexibilní pórovité materiály. Testovaný materiál je po delší dobu stlačen na 50 % tloušťky a vystaven vysoké teplotě. Trvalá deformace v tlaku představuje procento původní tloušťky ztracené po odstranění tlaku.

Typickou aplikací vyžadující dobrou odolnost proti trvalé deformaci v tlaku je těsnění přihrádky na filtr v klimatizaci (obrázek 2).

Obrázek 2: Pěnové těsnění ISOLOSS LS s nízkou trvalou deformací v tlaku utěsňuje přístupová dvířka přihrádky na filtr v klimatizaci, čímž minimalizuje úniky vzduchu a zároveň drží filtr na svém místě. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

V přihrádkách na vzduchový filtr se polyuretanová pěna s nízkou trvalou deformací v tlaku používá k utěsnění krytu filtru a zajištění filtru na svém místě. Když se filtr kvůli výměně nebo čištění vyjme, pěna expanduje zpět na téměř plnou tloušťku. Nízká trvalá deformace v tlaku zaručuje, že si těsnění zachová svůj výkon bez ohledu na to, jak dlouho bylo stlačeno. V této aplikaci by se využila těsnicí pěna, jako je model společnosti 3M LS-1025LM/PSA-0.75"X180"-1RL. LS-1025LM/PSA je pás o šířce 0,75 palce a tloušťce 0,25 palce s 10 lb/ft³ hustota. Tato měkká pěna se přizpůsobí filtru, zajistí jej na místě a zároveň stále utěsňuje otvor dvířek.

Hodnota CFD představuje tuhost pěny při různém stupni stlačení. Dle standardu ASTM D3574C se CFD testuje stlačením pěny ze 100 % až na 30 % původní tloušťky, to se rovná kompresi 10 % až 70 %. Při stlačování pěny se měří síla, kterou stlačovací povrch působí na snížení pěny na určitou tloušťku. Je důležité si uvědomit, že toto je také síla, kterou pěna působí zase na stlačovací povrch. Graf deformace jako funkce použité síly je znázorněn na obrázku 3. Pro jednotlivé hustoty pěn ISOLOSS LS jsou k dispozici tabulky anebo grafy CFD, aby bylo možné doladit proces výběru pěny pro jednotlivé aplikace.

Obrázek 3: Série CFD grafů pro čtyři dostupné hustoty pěny (10, 15, 20 nebo 25 (lb/ft)³ ). Větší síly lze dosáhnout použitím pěny s vyšší hustotou nebo použitím větší komprese. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Vezměme v úvahu aplikaci odpružení, kde musí být dva povrchy drženy od sebe tlakem 100 kPa (14,5 psi). Toho lze dosáhnout pomocí 25 lb/ft³ pěna stlačená na asi 16 %, 20 lb/ft³ stlačeno na asi 28 %, 15 lb/ft³ stlačeno na asi 50 %, neboli 10 lb/ft³ stlačeno na cca 70 %.

Tlumení vibrací a hluku

Strukturální tlumení je prostředek k eliminaci mechanické energie její přeměnou na teplo. Tlumicí materiály se nanášejí přímo na povrch konstrukce pomocí silného lepidla (obrázek 4).

Obrázek 4: Pěnové desky ISOLOSS LS připevněné k povrchům mohou zajišťovat tlumení hluku a jsou kompatibilní se širokou škálou lepidel společnosti 3M citlivých na tlak. (Zdroj obrázku: divize E.A.R. společnosti 3M)

Tento systém tlumení s volnou vrstvou je nejjednodušším způsobem. Energie se rozptyluje v důsledku roztažení a stlačení tlumicího materiálu kvůli ohybovému namáhání od konstrukce podkladu. I s tímto jednoduchým systémem mohou správně navržené úpravy tlumení přinést pozoruhodné výsledky, zejména u kročejového hluku, kde je možné snížení o 20 dBA nebo více. Tlumicí materiály jsou k dispozici ve čtvercových nebo obdélníkových deskách stejně jako v kruhových nebo čtvercových podložkách. Tyto deskové materiály mohou být vyřezány lisováním nebo laserem pro snadnou montáž OEM nebo k použití jako servisní doplňující sady. K zajištění účinnosti nemusí být pokrytí úplné a snížení kročejového hluku o 10 dBA nebo více lze dosáhnout již při 25% pokrytí povrchu. Větší formy desek, jako jsou modely LS-1506/PSA-5"x7"-10PK a LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK společnosti 3M, jsou užitečné v tlumicích aplikacích. Díky své flexibilitě jsou tyto pěny přizpůsobitelné většině návrhů produktů.

K určení míry tlumení a snížení hluku existují čtyři faktory:

1. Druh a tloušťka podkladového materiálu
2. Tloušťka a vlastnosti tlumicího materiálu při teplotě a frekvenci provozu
3. Poměr tloušťky tlumicího materiálu k tloušťce podkladového materiálu
4. Procento plochy pokryté tlumicím materiálem

Techniky regulace tlumení a vibrací využívají schopnost polyuretanové pěny převádět mechanický pohyb na nízkoúrovňové teplo, čímž se snižuje hladina hluku a vibrací. Polyuretanové pěny ISOLOSS LS nabízejí pro tyto aplikace řízení energie, drží svůj tvar a zachovávají si formu, zabudování a funkci, a to i v drsném prostředí.

Úplné specifikace polyuretanové pěny ISOLOSS LS pro čtyři dostupné hustoty jsou shrnuty v tabulce 1. Kromě klíčových specifikací odolnosti proti trvalé deformaci v tlaku a kompresní síle (zatížení) – průhybu jsou v tabulce uvedeny zkušební standardy používané ke kvalifikaci pěnového materiálu.

Tabulka 1: Zde jsou uvedeny typické vlastnosti polyuretanové pěny ISOLOSS LS pro čtyři dostupné hustoty. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Závěr

Vibrace, otřesy, hluk a teplotní extrémy jsou realitou pro mnoho návrhů systémů, ale správný tlumicí materiál může jejich účinky značně zmírnit. Jak je zde ukázáno, polyuretanové pěny ISOLOSS LS společnosti 3M se dodávají v různých tvarech, hustotách a tloušťkách, snášejí širokou škálu prostředí a nabízejí dlouhou životnost. Hodí se pro aplikace jako těsnění, kde slouží k utěsnění otvorů a snížení vibrací. V aplikacích tlumení a podpory snižují otřesy a vibrace a zároveň zajišťují podsestavy. A konečně se v tlumicích aplikacích používají ke snížení hluku.