CN101629655A - 柔性隔膜密封板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性隔膜密封板，该密封板为夹层结构以便防止因插入电缆而形成孔，并在电缆被去除时保持IP30。密封板包括芯部层和顶部和底部夹置层，其组分根据所需目的而选择；该密封板夹有加强材料，以便用作电气盒的顶壁。根据这个发明的柔性隔膜密封板包括具有阻燃填料的乙烯乙酸乙烯酯共聚物RoHS柔顺和柔性泡沫，其夹在腈泡沫的两层之间。两个外层由封闭单元的腈泡沫形成，其纹理方向彼此垂直，从而在将电缆插入到密封板上时在与纹理方向相反的方向上获得更好压缩性。另一个柔性隔膜密封板包括封闭单元交联聚乙烯泡沫作为芯部材料和密度170kg/m3的聚亚安酯泡沫作为两个外层；通过160℃下的热层压工艺微孔聚亚安酯薄膜结合到PU泡沫的暴露区域上。

Description

柔性隔膜密封板
技术领域
本发明涉及一种供进入配电盘的电缆或离开配电盘(switch board)的电缆穿过的密封板(gland plate)，并尤其涉及一种夹有玻璃纤维加强的塑料(GFRP)叠层的柔性隔膜密封板。
背景技术
密封板基本上用于供进入配电盘的电缆或者从配电盘离开的电缆穿过。它为电缆提供了所需的支撑，并且也起到防止外来物质进入的保护作用。
在配电盘中当前密封板的解决方案使得用户能够将电缆穿过轮廓分明的切口或者穿过电缆衬垫(cable gland)形式的导引路径。当必须遵从IP30(以便不允许任何直径2.5mm或更大固体物体)时，对于Type 2机壳，市场中存在的现有解决方案在如下的情形下对用于加以约束：
i.为了保持侵入防护，对使用相同切口位置以在后期穿过不同尺寸的电缆存在约束；
ii.当使用塑料或金属片密封板时，在用户偏爱的给定位置形成切口对用户来说是个负担；
iii.如果后期电缆被去除并且由于插入电缆而形成的孔没有堵住来防止外来物质侵入的话，则不能遵从IP30。
在当前环境下，主要由金属片、橡胶和塑料制成的各种类型的密封板广泛用在配电盘中。金属片密封板或是具有一个预切口，以穿过电缆，或者由安装者根据需要切割。此外，不同类型的橡胶或金属垫圈(grommet)与金属片一起使用，以在穿过电缆的同时确保所需的防护程度：例如多密封插入件是一种类型的橡胶垫圈，它用在金属密封板中，用于确保若干单个电缆进入到单个电缆衬垫中；用于使不同直径的电缆穿过相同的孔，使用分档卡圈(stepper collar)，并且需要切掉给定程度，以匹配电缆直径；用于穿过排列成直线的电缆，使用两件不同的金属密封板。提供泡沫来密封并允许电缆在两个密封板之间穿过：橡胶密封板具有预定的穿过电缆的位置，并且电缆在所需位置穿过相对应直径的孔；塑料密封板也类似于橡胶和金属密封板，并且具有预切口来穿过电缆。
对于所有可利用的技术方案，或是具有预定位置来穿过电缆或是用户需要切割板来穿过电缆，这成为一个难处。除了这些，还需要遵循IP值，甚至在去除电缆(在更改设备结构时)，而没有任何插入件来堵住为插入电缆而形成的孔。
US6323433公开了一种垫圈，该垫圈用于接合多个导线或电缆直径中的任一个，以在导线或电缆与互连结构之间提供基本上密封的接口。该垫圈是由高弹性材料材料形成的一体的单件元件，如氯丁(二烯)橡胶。
US4504699公开了一种可恢复物品，它可以提供细长物质的环境密封，如电线之间的连接。公开了一种装置，用于封闭细长物体的至少一部分，例如一根或多根电导体，该装置包括中空的尺寸可恢复物品，该物品能够封闭物体并且具有孔，该孔连通在物体的内部和外部之间，并且至少在该物品已经恢复后，一定量的材料密封所述孔，但是可以由探针穿透，该材料自密封使得在除去探针后密封所述孔。自密封材料可以是硅橡胶或者其他弹性体材料。但是，这些自密封材料撕裂强度较小并且压入力(indentation force)较大。从而，通过上述现有技术中材料的自密封材料不能提供IP30防护。
US3584888公开了一种用于电缆的密封板，其包括弹性材料的垫圈，该垫圈具有锥形的轴孔，当电缆被强行插入密封板时，该锥形轴孔被扩大，以便在电缆上施加径向压力，由此在垫圈和电缆之间形成不透流体的密封。该垫圈具有减小的直径部分，该部分由卡圈环绕，可以被绷紧，以约束电缆，从而防止电缆的轴向位移。
US2007/0023198公开了一种用于一根或多根电缆的密封板，其中环形的密封板主体限定了一条中空通道，该通道在任一端是开口的。一个芯部可以从它的至少其中一端插入到该中空通道中或者从中空通道中去除，该芯部包括弹性可变形元件，该弹性可变形元件通过压缩可以被膨胀以占据该通道。该密封板主体包括一个或多个层(formation)，插入到所述通道中的电缆可以被固定，由此允许芯部或部件相对于所述密封板主体插入或去除，而芯部不会损坏(straining)任何电缆。
将承载超过1000A电流的电缆安装到金属片中的另一个明显缺点在于会产生涡流，并且造成板过热。IP30和IP55等级要求电缆必须穿过一个孔，或者利用IP55电缆密封板，每根电缆必须分别进入，并穿过非磁性不锈钢片。如果进入的电缆通过密封板，则为了避免回路效应(loop effect)，密封板应该采取两个部分，并且电缆应该放置在两个板之间。
上述现有技术的缺点在于对在后期使用相同切口穿过不同尺寸电缆造成限制。此外，这里提到的密封并不足够强以在电缆插入的位置或在电缆去除的位置时承受外来物体的侵入。如果在后期要去除电缆而不用任何插入件来塞住孔，那么IP值将被破坏。因此，仍然需要这样一种电缆密封板，该电缆密封板将满足上面所有需求；所述密封板优选的具有高的剪切和压缩强度，具有低的压入力，在工作过程中在火灾情况下具有阻燃特定。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种密封板，该密封板能够在预先限定的区域内穿过20mm2到40mm2横截面的电缆。
本发明的再一目的是提供一种密封板，该密封板能够在后期利用相同的切口位置穿过不同直径的电缆，在前后保持侵入防护(IP30)。
本发明的又一目的在于提供一种密封板，其中，电缆的插入在导引销或切齿的帮助下进行。
本发明的又一目的在于提供一种密封板，其中，即使在去除电缆之后(在改变设备结构情况下)，不需要插入件来堵住电缆产生的孔。
本发明的再一目的是提供一种密封板，该密封板防止如灰尘或啮齿动物等的物体进入到配电盘内部。
根据其中一个方面，本发明涉及柔性密封板，用于穿过进入到配电盘、接线盒、或其他电气设备的电缆或从上述电气设备离开的电缆。本发明基于泡沫夹持结构的概念，这是由于它给出了所需的性能，以在电缆插入时消除不同程度的间隙；尤其是，本发明涉及柔性隔膜密封板，例如15到20mm厚，包括芯部层，优选的4到6mm厚，夹在热塑性泡沫的顶层和底层之间的封闭单元(closed cell)热塑性橡胶，顶层和底层设置有防止形成间隙的装置。泡沫夹层的构成的正确组合针对临界机械和热特性优化；尤其是，选择密度、撕裂强度、压入力、弹性、压缩形变、硬度和可燃性，以便在最终产品中的每个组成部分的特性和他们的相互作用满足上述需求。
密封板可以自身夹置在至少两层玻璃纤维加强的叠层之间，该叠层例如1到1.5mm厚，其中，所述叠层优选的包括紫外线间苯二酸聚酯基树脂(ultraviolet isophtalic polyester based resin)和双向E-玻璃纤维，以便用作配电盘的顶部或底部，允许电缆进入其中。
根据一个实施方式，密封板包括夹置结构，该夹置结构是利用夹置在封闭单元交联的热塑性泡沫的层之间的热塑性橡胶层形成的。热塑性橡胶优选的具有阻燃填料的乙烯乙酸乙烯酯共聚物，通常公知为
Figure G2009101500009D00041
它提供了多种非常适于实现本发明目的的功能性，如：防火屏障、热屏障、阻燃屏障、密封屏障、穿透长度增加、外部保护和机械稳定性。此外，
Figure G2009101500009D00042
的封闭单元结构在获得隔热方面是有利的。形成夹置
Figure G2009101500009D00043
层的外层的封闭单元交联热塑性泡沫优选的是共聚物，在此称为腈泡沫，它取向为其纹理方向彼此相互垂直；腈泡沫的封闭单元结构有助于降低空气和水分渗透性。
根据另一优选实施方式，密封板包括封闭单元的交联聚乙烯泡沫(XLPE)，作为芯部材料，密度170kg/m3的聚亚安酯(PU)作为两个外层。微孔聚亚安酯膜的薄膜，例如厚度约为50微米，粘接到PU泡沫的暴露区域上，尤其是通过在160摄氏度下的热层压过程，以便避免开放单元PU的高度渗透性带来的水分侵入。这种薄膜的使用除了对PU泡沫提供保护免于任何环境危险的侵袭，还有助于在暴露区域上为泡沫夹层提供良好外观。PU泡沫的使用增加了泡沫的温度耐受能力到大约120摄氏度；由于其显著的弹性，这确保电缆容易插入且也保证所需的保护程度，即使在电缆被去除时。XLPE泡沫作为芯部材料提供所需的硬度以及抵抗水和空气的良好渗透性。
为了防止隔膜受啮齿动物带来的任何损坏，芯部层可以添加有防啮齿动物添加剂，热塑性泡沫例如混合有NEWARC级Masterbach颗粒。
本发明还涉及通过公开的导引销将电缆穿过密封板插入的方法，该导引销被设计成有利于电缆的插入：这些导引销具有锥形边缘，这些锥形边缘可以与电缆固定，并且然后导引通过泡沫夹层。
附图说明
其他优点和特征将从下面本发明优选实施方式的描述中变得清楚，该描述仅为了说明目的给出并非用于限制本发明。
图1A和1B示出根据本发明一个实施方式的密封板，处于各个层的分解视图和组装状态；
图2A和2B示出根据本发明另一实施方式的密封板，处于各个层的分解视图和组装状态；
图3A和3B示出根据本发明的密封板，该密封板夹在两层GFRP叠层之间，处于各个层的分解视图和组装状态；
图4A和4B示出本发明的密封板的组件的示意图。
具体实施方式
图1A所示的根据本发明一个实施方式的密封板10的结构包括满足RoHS要求(在电子和电气设备领域使用特定危险物品的限制)的芯部层12，该芯部层12是具有阻燃填料的乙烯乙酸乙烯酯共聚物柔性泡沫，象通用且此后已知的这个芯部材料12是优选的，这是因为她的封闭单元结构，这有助于获得良好的隔热特性，且除此之外，不吸水。该材料的单个压缩形变令人吃惊地达到14％。
Figure G2009101500009D00053
芯部材料12具有大约4到6毫米的优选厚度；选择材料的特定厚度的标准是基于泡沫材料的加工能力和它承受压入力的能力以及实现所需量的压缩形变。
Figure G2009101500009D00054
具有克服任何所施加的压入力的良好记忆。
芯部层12夹在封闭单元交联热塑性泡沫的两层14之间，优选的为腈泡沫，并尤其是丙烯腈丁二烯共聚物。外面的两层14以它们的纹理方向彼此相互垂直来取向，如图1A清楚看到的。在电缆插入到密封板10上时，腈泡沫的这个纤维取向在与纹理方向相对的方向上实现更好的压缩性，并也防止在腈泡沫和插入的电缆之间形成间隙，由此防止外来颗粒侵入。腈泡沫14的封闭单元结构有助于减小空气和水分渗透性。
根据图2所示的另一实施例，密封板20的结构包括封闭单元交联的聚乙烯泡沫(XLPE)22，作为芯部材料22，以及密度为170kg/m3的聚亚安酯(PU)，作为外部的两个层24。由于PU24的结构是开放单元的，它易于水分侵入(高渗透性)，并且微孔聚亚安酯薄膜26例如通过在160摄氏度下的热层压工艺结合到PU泡沫24的暴露区域上，该薄膜26的优选厚度为大约30微米到60微米。除了给PU泡沫24提供抵御任何环境危险的保护之外，使用这种薄膜26还有助于在暴露区域上给泡沫夹层22、24以良好的外观。
使用PU泡沫24使得泡沫的温度承受能力增大到大约120摄氏度，这确保容易插入电缆，并且还因为它显著的弹性保证所需的保护程度，即使在电缆去除的情况下。XLPE泡沫22作为芯部材料提供所需的硬度以及抵抗水和空气的更好的渗透性。
虽然任何工艺都是有可能的，但是已经使用粘接剂(并优选的是改性丙烯酸类敏感粘接剂)冷层压工艺，以粘接芯部层12、22以及顶层和底层14、24，从而获得图1B和2B所示的柔性隔膜密封板10、20，具有15到20毫米的有利的总厚度。尤其是，芯部层12、22的厚度大约4到6毫米，且顶层和底层24的厚度为5.5到7毫米。而且，鉴于技术规范所施加的一些限制，芯部泡沫12、22可以与特定防啮齿动物添加剂，例如Masterbach防啮齿动物颗粒，来防止隔膜12、20由于啮齿动物而遭损坏。
已经证明：根据本发明对泡沫的夹层结构进行的特定选择给出所需的基本特性，来消除电缆插入过程中不同层之间的间隙；尤其是，用于密封板的适当泡沫材料理想的是具有高机械强度(撕裂强度、硬度)、低压缩形变、阻燃特性和高温承受能力，下面表1中示出的对比例显示了各种弹性体和泡沫材料的不同参数。形成泡沫夹层的七种不同结构，并按照ASTM D-3574标准测试，测试结果在表II中示出：
A.PU薄膜(50微米)+PU 170+聚乙烯170+PU 170+PU薄膜(50微米)
B.腈+聚亚安酯120+腈
C.聚亚安酯120+聚乙烯防火等级(fire grade)120D+聚亚安酯120
D.腈+聚乙烯60+腈
E.腈+聚乙烯40+腈
E.腈+乙烯乙酸乙烯酯+腈
G.腈+Actifoam+腈
Figure G2009101500009D00071
表I：不同弹性体和泡沫的各个材料特性
  测试方法  测试说明   A   B   C   D   E   F   G
  BS ISO7214-19  密度(g/cc)   0.072   0.12   0.082   0.076   0.081   0.095   0.19
ASTM D3574-95  撕裂强度(N/M) 1034 1150 1158 892 1000 1426   1278
ASTM D3574-95  压缩形变(％)70℃，22h，50％defl 53.6   70.8   40   86   88   84   86.7
  STM D3574-95(测试B)标准  压入力(N)在25％压缩时在65％压缩时 1501833 1471808 851205 10354928 11344365 12005164 8505350
  S7888-76(C1.6)(标准)  硬度值25％50％ 0.050.29 0.050.28 0.030.12 0.320.92 0.360.89 0.381.06 0.260.87
表II：不同泡沫夹层结构的测试结果
如上所述，具有最小压入力、高撕裂强度以及压缩形变，且具有最佳硬度的结构将是最理想的：出于所需的目的，结构A和G的结果显然是更好的。
尤其是，不能选择结构D、E和F，由于撕裂强度高，但是压入力和硬度值也非常高，在穿过电缆时会难于刺穿密封板。对于结构C，压缩形变不足够大，以便在去除电缆后提供所需的IP30防护。结构A和G在硬度、撕裂强度和压入力方面提供最佳结果，给出所需强度；压缩形变对于提供IP30防护来说足够好，尤其是，对于结构G，而结构A是一种潜在的低成本方案。
如图3A和3B所示，为了形成易于处理的元件30，上述密封板结构10、20夹在GFRP(玻璃纤维加强塑料)叠层32之间；在基于最大载荷条件进行结构分析之后，GFRP叠层32的厚度优选的选择为1mm，所述最大载荷条件为所述密封板能够承受的最大载荷条件。
GFRP叠层32作为密封板10的加强件；尤其是，这种加强材料可以是双向编织的E玻璃纤维，具有紫外线间苯二酸聚酯基树脂(ultravioletisophtalic polyester based resin)，该树脂形成基质，在60吨模压机中制造。在后期固化处理之后，叠层32被标记所需尺寸并且切割成所需轮廓，以便确保足够的表面接触，用于结合GFRP32和泡沫夹层10。随着，两个面优选的在环氧基粘接剂的辅助下粘接，该粘接剂能够向夹层芯部传递剪切和轴向载荷以及从夹层芯部传递剪切和轴向载荷。在夹层板30上的开口边缘可以被密封，以防止水分和灰尘进入，改善外观或者允许随后固定；在这个优选实施方式中，已经采用边缘填料(edge filler)34方法，来封闭边缘。然后使得整个板30在室温下固化。
为了批量制造，可以采用树脂传递模塑法(RTM)，由于它被证明是更经济且对加强件取向具有良好控制，在这种情况下，不需要边缘封闭的额外操作。
在GFRP板30中夹置的泡沫的暴露区域36形成电缆进入区。这个板30可以与底柱(base column)一起安装在配电盘的顶部或底部，或者可以低压和中压盒40中，该盒40具有插入的电缆，用于连接设备，见图4A。为了插入到暴露区域36中，电缆42可以连接到导引销44，该导引销有助于电缆42轻易进入。电缆42固定到导引销44上，该导引销为所需电缆尺寸制造，并且具有锥形边缘的这些导引销可以导引过泡沫夹层30。
如图4B所示，如果存在的话，腈泡沫14的纹理取向在与纹理方向相反的方向上获得良好压缩性，并且也防止在腈泡沫14和插入的电缆42之间形成间隙，由此防止外来颗粒侵入。腈泡沫14的封闭单元结构有助于减小空气和水分的渗透性。
应该注意到电缆42从密封板10、20去除(在设备结构改变的情况下)，不需要插入件来堵塞电缆42产生的孔，这是因为由于密封板的柔性隔膜10、20的内在特性，不会产生孔，该柔性隔膜10、20具有良好的压入力承受能力。从而可以遵从IP30参数，并且所述组件克服了在说明书前面提到的现有技术的局限。
本发明也预见到使用芯部材料，该芯部材料具有负泊松比(Poissonratio)，这在实现功能需求方面产生非凡的效果。在压缩时当拉伸和收缩的情况下在材料横向膨胀时产生负泊松比。

Claims (14)

1.一种柔性隔膜密封板(10、20)，用于进入的电缆或离开的电缆(42)通过，包括：
封闭单元热塑性橡胶的芯部层(12、22)；
夹置所述芯部层(12、22)的热塑性泡沫的顶层和底层(14、24)；
所述顶层和底层(14、24)设置有用于防止向芯部层(12、22)形成间隙的装置，包括在穿过电缆(42)时防止向芯部层(12、22)形成间隙。
2.如权利要求1所述的柔性隔膜密封板，其中，所述芯部层(12)是封闭单元结构热塑性橡胶，顶层和底层(14)是封闭单元交联热塑性橡胶，而用于防止形成间隙的装置包括所述顶层和底层的纹理取向，所述顶层的纹理取向垂直于所述底层的纹理取向。
3.如权利要求2所述的柔性隔膜密封板，其中，所述顶层和底层(14)由丙烯腈丁二烯共聚物制成。
4.如权利要求1或2所述的柔性隔膜密封板，其中，所述芯部层(12)由具有阻燃填料的乙烯乙酸乙烯酯共聚物制成。
5.如权利要求1所述的柔性隔膜密封板，其中，所述芯部层(22)由封闭单元交联聚乙烯泡沫制成，顶层和底层(24)由聚亚安酯泡沫制成；而用于防止形成间隙的装置是结合到所述聚亚安酯泡沫层(24)的暴露区域上的聚亚安酯微孔薄膜(26)。
6.如权利要求5所述的柔性隔膜密封板，其中，所述微孔薄膜(26)厚度为30微米到60微米。
7.如权利要求1到6中任一项所述的柔性隔膜密封板，其中，该密封板的厚度为15到20mm。
8.如权利要求1到7中任一项所述的柔性隔膜密封板，其中，所述芯部层(12、22)的厚度为4到6mm，而顶层和底层(14、24)的厚度为5.5到7mm。
9.如权利要求1到8中任一项所述的柔性隔膜密封板，其中，所述芯部层(12、22)包括防啮齿动物添加剂，以防止密封板由于啮齿动物而被损坏。
10.一种加强板(30)，包括如权利要求1到9中任一项所述的柔性隔膜密封板(10、20)，以及夹置所述密封板(10、20)的两层玻璃纤维加强的塑料叠层(32)。
11.如权利要求10所述的加强板(30)，其中，每个叠层(32)具有1到1.5mm的厚度。
12.如权利要求10或11所述的加强板(30)，其中，每个叠层(32)包括双向E玻璃纤维和形成基质的紫外线间苯二酸聚酯基树脂(ultravioletisophtalic polyester based resin)。
13.一种电气盒(40)，具有长方体形状，其中，顶部壁和底部壁中的一个包括如权利要求10到12中任一项所述的加强板(30)。
14.将电缆(42)穿过如权利要求13所述的电气盒(400)的壁的方法，包括将具有锥形边缘的导引销固定到电缆(42)的末端，并且插入导引销(44)使之穿过加强板(30)的柔性密封板(10、20)。
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