本文作者//UL 工程部 Sigurd Su

封裝型防護多使用在電磁閥、LED 驅動電源、繼電器上,其灌膠效果則多半取決於灌膠複合物的物理特性與產品結構。本文將列出危險場所防爆安全所主要援用的標準 IEC 60079-18 之 Table 1 至 Table 4 ── 封裝型防護方式的結構要求。由於危險環境相較一般環境的灌膠要求更高,我們希望相關業者在進行設計時,若能夠先行了解相應的距離要求,並審慎考慮使用的封膠複合物之黏著度與是否有填充空隙的情形,才能靈活運用封裝型防護方式,為產品的防爆環境使用設計提升競爭力。

在危險場所中的防爆安全,其一常見的封裝型 (Encapsulation, “m")防護概念,主要是將設備或元件內部的引火源以灌膠阻絕,以避免爆炸性氣體或塵體引燃。

通常封裝型防護會用在電磁閥、LED 驅動電源、繼電器上。灌膠的效果則多半取決於灌膠複合物的物理特性與產品結構:物理特性的部分,除了所用的灌膠複合物廠家型號與材料特性 [如適用的持續操作溫度(continuous operating temperature – COT)] 需要完整記載控制外,有幾種基本特性可在初步評估列入考慮,如良好的電氣特性 (絕緣)、導熱特性 (散熱快)、不易受外界濕氣和溫度影響灌膠阻絕效果…等。

本文將聚焦在產品結構對封裝型防護的影響。

封裝型結構名詞定義說明

在進入本文要談的封裝型結構要求前,以下針對若干名詞稍加說明,以幫助讀者更能通盤掌握重點:

  • Adhesion (黏著性) ── 黏著性指的是灌膠複合物是否可以妥善地黏在內部外殼邊界和元件上。由於封裝型的防護方式就是要阻絕點火源接觸爆炸性氣體和塵體環境,因此一旦黏著性不佳而導致內部產生了空隙,將致使氣體和塵體進入。這也是為何防爆安全標準對於有黏著性和沒有黏著性的封膠之要求差異甚大。
  • Free surface (自由表面面積) ── 灌完膠後和外部接觸的表面 (不含外殼包圍的部分) ─ 下圖為 IEC 60079-18 標準中的 Figure 1 上方之表面面積。
  • Free space (自由內部空間) ── 在設備封裝後,封裝型的設備和元件的內部空間 (未被灌膠填滿的部分)。

封裝型結構灌膠最小厚度要求 (無灌膠空隙時)

從 IEC 60079-18 Figure 1 的結構圖示,顯示當所有內部空間都被灌膠填滿沒有空隙時,灌膠的厚度 (即元件到相鄰面的結構距離) 相關要求可見 IEC 60079-18 Table 4 (如下) 所列資訊。

以上的 Figure 1 和 Table 4 皆主要說明設備或元件內部灌膠厚度的要求。舉例來說,當使用在 zone 2 或 zone 22 (即要求為 mc 的防護方式) 環境下,即必須考慮各方面的結構設計:

  • 到自由表面:當自由表面面積大於 2cm2 的情況下,由元件到自由表面面積至少要 3mm 的灌膠厚度。
  • 到非金屬外殼 (若非金屬外殼厚度 t 小於 1mm),且有黏著性的膠的情況:結構上留下灌膠所需長度需要的最小厚度是可縮小到 1mm。
  • 到非金屬外殼 (若非金屬外殼厚度 t 大於 1mm),且有黏著性的膠的情況:結構上可以縮小到不需要留下灌膠所需長度。但若使用沒有黏著性的膠時,則至少必須有 1mm 的間距。

封裝型結構灌膠最小厚度要求 (有灌膠空隙時)

當灌膠有空隙時,需在 Table 4 以外再增加考慮以下所示的 Table 2 (塵體) 或 Table 3 (氣體) 內部空隙 (自由內部空間) 和相鄰灌膠自由表面面積或相鄰外殼的距離要求。

舉例說明,當使用在氣體 (Group II) 的 zone 2 環境,即要求為 mc 的防護方式時,當有內部自由空間介於 10cm3 到 100cm3 的情況下,則需要確查 Table 3 所示的要求 (如下),由此亦可得知標準將要求該內部空間到和相鄰自由表面的灌膠之最小厚度至少要 3mm;若如果內部空間小於 10cm3 的情況下,則最小厚度要求可以降到 1mm。

倘若在使用上改為用在爆炸性粉塵環境時,則要改為查詢下方所示的 IEC 60079-18 Table 2 之要求。

封裝型結構灌膠最小厚度要求 (電路板)

至於 PCB 線路上的距離,即需要援用 IEC60079-18 標準中的 Table 1 加以考量,如下。在此也可以看出 ma 的要求將比 mc 嚴格許多。另值得注意的是,即便是低壓的情況下,還是有距離的要求。

結語

相較於本質安全只能使用在能量相對很低的線路,且對線路設計的要求很多的情況,以及耐壓型防爆方式的外殼較大且重的設計,封裝型的防護確實提供一個相對簡單的方法,同時還能用在使用較高電壓與能量的線路設備。

除此之外,我們也能從本文所羅列的 IEC 60079-18 標準 Table 1 到 Table4 等各表所述之結構距離要求,顯著地窺知危險環境較之一般環境的灌膠要求,遠遠嚴格許多。所以我們提醒相關業者在進行設計時,最好還是能夠先行了解相應的距離要求,並且需要考慮使用的封膠複合物之黏著度與是否有填充空隙的情形,才能靈活運用封裝型防護方式,為產品的防爆環境使用設計提升競爭力。

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