CN116567979A - 具有集成垫片的电气设备外壳元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有集成垫片3的电气设备外壳元件，包括电气设备外壳元件的主体1和集成垫片3，其中垫片3是具有芯部4和壳体5的芯部‑壳体垫片，芯部4由热塑性弹性体形成，壳体5由具有高阻气性的热塑性聚合物形成。电气设备外壳元件的主体1和垫片3的壳体以2K注塑工艺集成。

Description

具有集成垫片的电气设备外壳元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有集成垫片的电气设备外壳元件，包括所述电气设备外壳元件的主体和集成垫片，特别是具有阻气性的垫片。本发明还涉及制造这种电气设备外壳元件的方法。

背景技术

现有技术中，通常使用所谓的2K注塑成型制作由两种不同材料制成的元件，例如，硬质热塑性塑料部件和具有良好粘附性的软质热塑性塑料。2K注塑成型也被称为双组份注塑成型或双色成型。

在气体绝缘电气设备中进行密封的常见方式是应用由硫化橡胶组成的O型环，如EPDM。这种类型的密封在设备组装期间单独实施，并且主要用于环氧铸件。当前存在一种使用更稳定的热塑性材料以代替环氧树脂的趋势，因此将标准橡胶密封也切换到热塑性密封是令人感兴趣的。在这种情况下，密封系统可以在相同的注塑成型工艺中通过双组份-2K-注塑成型与设备集成。

在O型环或者其它类似密封件的情形下，有必要在一个与外壳适合的槽中组装密封件，例如在盒子的主体上或者盖子上。这是既不简单也不经济的操作。密封件以错误的方式插入和/或固定在槽内，因而密封件从槽中出来。因此，外壳密封性比预期的更糟。EP0792095A2公开了一种克服了该问题的包括突出区域的整体密封。在外壳的合适部件诸如盖子或主体生产的同时，密封件在一个制造步骤中被生产。在制造过程期间，在成型步骤结束后，底模形式的移动元件在盖子中或者在主体中产生槽。该槽是尺寸与那些密封件对应的空间。这个空间里有形成密封件的注塑材料。塑料材料通常比形成盖子或者主体的材料更加软。盒子由热塑性材料制成，并且集成密封件由热塑性弹性体制成。

此外，EP1045174公开了一种安装到框架上的垫片，该框架对轻型电子设备的盖体和主体之间的结合面进行密封。这种垫片的生产过程也被公开了。该垫片例如被指定用于计算机的硬盘设备中，并且它的应用完全将电气设备与水和空气隔绝开，因此提供了高密封性。主体的框架包括相互集成的外框架体和内框架。框架由热塑性树脂组成。垫片与外框架体和内框架体集成，并且包括弹性体。垫片由热塑性弹性体组成。将垫片固定于外框架体和内框架体的侧边，导致了垫片与外框架体和内框架体的集成。固定过程涵盖熔融附着集成方法或者双色成型集成方法。主体的框架可以由合成树脂制成，尤其是热塑性树脂，并且组成垫片的弹性体可以是热塑性弹性体。

EP3310547B1公开了一种具有由第一塑料材料、硬质塑料或热塑性塑料组成的外壳主体的塑料外壳，其由导热的填料改性。特别地，外壳由使用相同的导热填料(如聚酰胺或聚苯硫醚)增强的热塑性塑料材料组成。外壳主体具有至少一个密封元件，密封元件由第二塑料材料组成，例如它可以由热塑性弹性体组成。外壳主体和密封元件是连接的。密封元件被以合适的方式结合和/或注入到外壳主体上。外壳也有至少一个盖罩，其被放置在外壳主体端部上。密封元件对外壳主体与盖罩之间的连接进行密封。专利EP3310547B1也公开了一种通过注塑成型设备生产塑料外壳的方法。生产方法包括将第一塑料材料注入到注塑模具的第一腔体以便生产外壳主体的步骤，以及在注塑模具中提取液压芯以便在注塑模具中配置第二腔体以便生产密封元件的步骤。用第二注入单元将弹性塑料注入该第二腔体，第二腔体配置密封元件。因此，密封元件被结合到外壳主体。在后续步骤中，盖罩置于外壳主体上。

此外，EP0245975B1公开了一种电连接器。该文件还公开了一种通过双重注塑成型制造连接器外壳的方法。连接器包括插头和插座外壳构件，每个构件具有固定于其一端的刚性部分和柔性部分。该连接器包含至少一个延伸穿过刚性部分和柔性部分的电气终端接收通道。通道的柔性部分容纳和接合被端接至电气终端的各种尺寸的电线。电气终端被接收和布置在组装连接器的通道中。连接器具有在双重注塑成型期间形成的密封部件。电连接器的制造工艺包括将具有柔性或刚性特征的第一塑料材料引入至模具中的连接器外壳形成区域的第一部分，并且防止第一塑料材料进入模具的第二连接器外壳形成区域的第二部分。接着，具有与第一塑料材料相反的刚性或柔性特征的第二塑料材料被引入至连接器外壳形成区域的第二部分以形成连接器外壳并在第一和第二塑料材料之间的界面处发生化学结合以使他们粘附。随后，将具有柔性特征的附加塑料材料引入至含有具有刚性特征的塑料材料的模具的连接器外壳成型区域的部分中，以便在刚性部分的前端形成至少一个柔性密封连接器构件，并且在柔性材料和刚性材料之间的界面处发生化学粘合以使它们粘附。在这个方案中，可以使用热塑性材料、热塑性弹性体和热固性树脂以便增加这些材料之间的化学亲和力。优选地，当使用类似的聚合物作为第一和第二塑料材料。

然而，WO2010086144A1公开了一种按照夹层技术或者使用多组份注塑成型方式注塑成型制得的密封件。密封件包括由硬质塑料组成的芯部和由相对软质的塑料组成的外皮。至少一个芯部端部穿过所述外皮。芯部端部伸到外部以形成开口或者通过变窄方式穿过至外皮边缘而不形成开口。而且，在芯部的内部，可以设置尺寸稳定的载体。在制造过程期间，熔融的密封件材料被相继地注入至注塑模具的腔体中。在第一步中，外皮组份被注入，其在腔体内逐渐延伸。在下一步中，芯部组份被注入腔体。芯部组份然后在腔体内展进，至少被外皮组份部分包围。由该方法生产的这种密封件，需要被组装进密封件被实现的部件中。该密封件与密封件部件既不进行连接也不进行黏合。

问题

目前电气设备中的密封系统主要基于O型环形式的硫化橡胶的应用。这种密封的应用需要在设备的法兰上形成一个槽。操作人员需要妥善操作O型环，以避免O型环变脏，这在大型密封系统中是很困难的。此外，槽表面的质量应具有适当的粗糙度，因此可以能需要进行适当的加工和抛光操作。还有已知的制造具有集成垫片的装置的方法。该方法免除了组装操作。然而，已知的垫片并不具有所需的性能，例如气密性。因此，本发明的目的是提供一种具有改善的阻气性的密封件。

发明内容

本发明的实质

本发明提出了改进电气设备中密封系统的方法。特别是，本发明介绍了如何通过夹层成型的具有嵌入式气体屏障的2K集成垫片以增加气密性。本发明涉及具有集成垫片的电气设备外壳元件，集成垫片包括电气设备外壳元件和集成垫片的主体。本发明的实质在于，垫片是具有芯部和壳体的芯部-壳体垫片，芯部由热塑性弹性体形成，壳体由具有高阻气性的热塑性聚合物形成，其中电气设备外壳元件的主体和垫片的壳体在2K注塑成型工艺中化学或化学-机械地结合。

当电气设备的主体通过注塑成型由热塑性材料制造时，通过2K注塑成型在相同工艺中制造整体密封是有利的。此外，所制造的热塑性垫片具有通过夹层模制工艺制造的先进的芯部-壳体屏障结构，壳体材料具有高的阻气性。所提出的解决方案允许在电气设备外壳的注塑成型过程中同时制造更可以靠的密封系统。

当垫片的芯部由热塑性弹性体形成时也是有利的，该热塑性弹性体在23℃时具有等于或小于10％的低压缩比值，且在70℃时具有等于或小于30％的低压缩比值。

根据ISO 815和美国材料试验学会D395标准，低压缩比值指产品在压力或力的作用下保持的永久变形量。

如果垫片的壳体由乙烯-乙烯醇共聚物或热塑性弹性体形成，在25℃时二氧化碳气体渗透率值等于或小于65Barrer，且在75℃时等于或小于250Barrer，则是有利的。

Barrer被理解为气体渗透率的非SI单位。它提供了有关流体流经给定压力驱动的具有厚度的材料区域的流体流速的信息。

本发明的另一方面涉及制造具有集成垫片的电气设备外壳元件的方法。2K注塑成型工艺，包括以下步骤:

a)形成电气设备外壳元件的主体，

b)形成垫片。

该方法的实质在于，在步骤b)期间，在夹层注塑成型工艺中形成芯部-壳体垫片，其中垫片的芯部由热塑性弹性体形成，而垫片的壳体由具有高阻气性的聚合物材料形成。

此外，在制造方法的情况下，当垫片的芯部由具有低压缩比的热塑性弹性体形成时也是优选的，低压缩比在23℃时等于或小于10％，且在70℃时等于或小于30％。

当垫片的壳体由乙烯-乙烯醇共聚物或热塑性弹性体形成时，二氧化碳气体渗透率值在25℃时等于或小于65Barrer，且在75℃时等于或小于250Barrer是有利的。

如果电气设备外壳元件的主体由高强度和介电热塑性材料或热塑性复合材料模制而成，也是有利的。

根据本发明的垫片，提供了改善的密封性能。垫片的壳体由热塑性聚合物形成，具有高的阻气性并提供气密性和不受外部条件影响使用电气设备的可以能性，特别是当它们暴露在环境中或在应该提供气密性的时候。更重要的是，增加的气密性保护电气设备的内部空间，防止泄漏到外部以及放置在外壳内的介电保护气体的压力损失。

本发明的优点

本发明的主要优点是:

-与标准O型环相比，可以制作出形状复杂的密封件，满足电气设备的新设计理念的期望和要求，并且由于对一种技术的依赖程度有限，实现了产品的多样化。

-与设备的密封一体化，消除了槽表面的质量问题，这在使用O型环的情况下非常重要。

-由于垫片已经集成在电气设备的主体内，因而更容易组装设备，节省了生产过程时间，并使密封具有高的可以靠性和安全性；在组装过程中已经密封到位，由此消除了因O型环组装不当而导致的泄漏。

-此外，需要存储和处理的部件和零件更少，因为不需要存储和处理例如作为单独零件的垫片。

例如本发明可以应用于诸如套管、电缆插座、母线插座等电气设备。

附图说明

本发明的实施例已在附图中示出，其中:

图1示出了具有应用了集成芯部-壳体的密封件的电气设备的示意性侧视图，

图2示出了具有应用了集成芯部-壳体的电气设备的示意性顶视图密封，

图3示意性示出了根据本发明的方法的实施。

具体实施方式

具有集成垫片的电气设备外壳元件包括电气设备外壳的主体1，作为电气设备的导体2和集成垫片3。通过与电气设备外壳的主体1集成的垫片3，应当理解，垫片3与外壳主体1不可以分离，化学或化学-机械地结合。电气设备外壳的外壳主体1在2K注塑工艺中与垫片3集成在一起，在此过程中，外壳和垫片之间发生化学或化学-机械结合。

垫片3是芯部-壳体垫片。它具有芯部4和壳体5，芯部4由热塑性弹性体形成，壳体5由具有高阻气性的由热塑性聚合物形成。垫片3确保电气设备外壳的气密性。

在实施例中，垫片3的芯部4是由具有根据标准ISO 815和ASTM D395的低压缩比的热塑性弹性体形成，该值在23℃温度下等于或小于10％并且在70℃温度下等于或小于30％。低压缩比定义为产品在压力或力作用下所承受的永久变形量。低压缩比是指产品在去除压力或力后具有相对较小的变形。

在其他实施例中，垫片3的壳体5是由具有低气体渗透率值的乙烯-乙烯醇共聚物或热塑性弹性体形成，以保护电气设备的内部空间，防止放置在外壳内的介质保护气体向外部泄漏和压力损失。壳体5的特征是低二氧化碳气体渗透率值在25℃温度下等于或小于65Barrer并且低二氧化碳气体渗透率值在75℃温度下等于或小于250Barrer。

在每个实施例中，电气设备外壳元件的主体1是由具有高强度和介电性的热塑性材料，或具有足够介电性能的热塑性复合材料模压而成。它提供了外壳的适当性能，该性能可以在不同的条件下使用，并保护用户或其他人免受已损坏电气设备的伤害。

上述介绍的电气设备外壳元件与集成垫片3是在一个2K注塑工艺中制造。

制造工艺有以下2K注塑工艺步骤:

a)第一步，形成电气设备外壳元件的主体1，

b)第二步，形成垫片3，

其中在第二步骤b)期间，芯部-壳体垫片3以夹层注塑成型工艺形成，其中垫片3的芯部4由热塑性弹性体形成，而垫片3由具有高阻气性的聚合物形成。

因此，制造工艺还包括夹层注塑成型工艺，其以这种方式定义：两种或多种聚合物通过相同的浇口相继地注入一个或多个空腔。通常可以分两个步骤，第一步是注入第一种材料，第二步是注入第二种材料，因此两种材料先后一次性注入模具。由于聚合物熔体的喷流，形成具有典型夹层结构的壳体层和芯部层。第一注入材料的薄附面层固化，同时芯部仍为塑料。随后注入的第二材料填充芯部和第一材料接收壳体的功能。该工艺可以用于所有热塑性材料。

电气设备外壳元件主体1的形成过程通常用于由高强度热塑性材料或具有介电性能的热塑性复合材料制造主体1，这些材料是外壳所必需的，可以用作外部外壳。主体1的成型过程涵盖了2K注塑的第一步。在这个步骤中，将电气设备插入模具中，这些内部部件用高强度热塑性材料或热塑性复合材料过度模压。

如前所述，第二步用于形成具有高阻气性的密封系统。它还需要对密封材料的适当选择，这必须允许外壳与电气设备的良好的集成密封。应考虑诸如良好的粘附性或通过机械联锁改变阀体1和垫片3之间的界面等因素。

电气设备外壳元件主体1的成型过程也涵盖了2K注塑的最后一步，在此过程中，最终产品与集成垫片3是脱模的。

在制造工艺中，芯部4的材料可以从具有在23℃温度下等于或小于10％且在70℃温度下等于或小于30％的低压缩比的热塑性弹性体集合中选择。垫片3的壳体5的材料可以从具有高阻气性的聚合物中选择，例如具有低二氧化碳气体渗透率值的乙烯-乙烯醇共聚物或热塑性弹性体，低二氧化碳气体渗透率值在25℃温度下等于或小于65Barrer，且在75℃温度下等于或小于250Barrer。应用的芯部材料将保持垫片3的适当的机械功能，而壳体材料将确保电气设备的气密性。

附加地，对于已提到的材料，在另一实施例中可以使用以下材料:

-电气设备外壳的主体1用聚酰胺，垫片3的芯部4用热塑性聚酰胺，垫片3的壳体5用热塑性硫化胶；

-电气设备外壳的主体1用聚苯酞酰胺，垫片3的芯部4用热塑性共聚物，垫片3的壳体5用苯乙烯嵌段共聚物；

-电气设备外壳的主体1用聚苯酞酰胺，芯部4用热塑性聚氨酯，垫片3用热塑性聚氨酯，壳体5用苯乙烯嵌段共聚物。

作为规则，用于芯部4的热塑性弹性体和用于壳体5的聚合物可以从以下类型的材料中选择:

-苯乙烯嵌段共聚物，

-热塑性聚烯烃弹性体，

-热塑性硫化胶，

-热塑性聚氨酯，

-热塑性共聚酯，

-热塑性聚酰胺，

-未分类的热塑性弹性体。

此外，当电气设备外壳元件的主体1是由高强度和介电的热塑性材料，或热塑性复合材料模压而成，包括但不限于缩醛和酮基聚合物和共聚物、聚酯、与聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二酯；聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚醚砜、聚苯砜、聚砜和聚四氟乙烯。此外，其他聚合物也可以实施，包括但不限于聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚苯酞、聚氧亚甲基、酚醛、不饱和聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈和聚亚烷基对氧苯甲酸酯。在一些实施例中，所述复合材料可以包括多种类型的纤维，包括但不限于玻璃纤维、玄武岩纤维、羊毛、丝绸、棉花、人造丝、纤维素、醋酸纤维素、亚麻、苎麻、黄麻和芳纶纤维。在一些实施例中，添加剂可以用于改善材料的质量，包括但不限于机械和热稳定性、耐化学性、绝缘性能和可以燃性。添加剂可以包括(但不限于)陶瓷、氧化铝、硅酸钙、阻燃剂和粘土。

此外，在连续实施例中，用于制造具有集成垫片3的电气设备外壳的主体1的材料可以通过主体1的材料与垫片3的材料之间的硬度关系来表征。垫片3的硬度根据ISO 48和ASTM D2240-00标准测定橡胶性能的测试方法，也称为硬度计硬度。电气设备外壳主体1的硬度根据ISO 2039-2标准进行测量，规定了使用洛氏M、L、R硬度标尺，使用洛氏硬度计测定塑料压痕硬度的方法。

在本实施例中，用于制造电气设备外壳的主体1和具有芯部4和壳体5的垫片3的材料之间具有以下硬度关系:

-垫片的硬度在10Shore A到90Shore A之间，

-垫片芯部4的硬度在65Shore A到85Shore D的范围内，主体1的硬度在70-150之间。

也适用以下关系：垫片3的壳体5的硬度不大于垫片3的芯部4的硬度，而壳体5和芯部3的硬度不大于主体1的硬度。

此外，使用低硬度材料作为壳体5允许更好地填充垫片3和密封元件-主体1之间的界面上的不均匀性。

Claims (8)

1.一种具有集成垫片的电气设备外壳元件，包括所述电气设备外壳元件的主体(1)和集成垫片(3)，

其特征在于：

-所述垫片(3)是具有芯部(4)和壳体(5)的芯部-壳体垫片，所述芯部(4)由热塑性弹性体形成，所述壳体(5)由具有高阻气性的热塑性聚合物形成，

-其中所述电气设备外壳元件的所述主体(1)和所述垫片(3)的所述壳体(5)以2K注塑成型工艺以化学方法或以化学-机械方法结合。

2.根据权利要求1所述的电气设备外壳元件，其特征在于，所述垫片(3)的所述芯部(4)由具有低压缩比的热塑性弹性体形成，所述低压缩比的值在23℃的温度下等于或小于10％，并且在70℃的温度下等于或小于30％。

3.根据权利要求1或2所述的电气设备外壳元件，其特征在于，所述垫片(3)的所述壳体(5)由具有低二氧化碳气体渗透率值的乙烯-乙烯醇共聚物或热塑性弹性体形成，所述低二氧化碳气体渗透率值在25℃的温度下等于或小于65Barrer，并且在75℃的温度下等于或小于250Barrer。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电气设备外壳元件，其特征在于，所述电气设备外壳元件的所述主体(1)由高强度和高介电性聚合物材料或聚合物复合材料模制成型。

5.一种以2K注塑成型工艺制造根据权利要求1至4中任一项所述的具有集成垫片的电气设备外壳元件的方法，所述方法包括以下步骤：

a)形成所述电气设备外壳元件的主体(1)，

b)形成所述垫片(3)，

其特征在于，

在步骤b)期间，芯部-壳体垫片(3)以夹层注塑工艺形成，其中所述垫片(3)的芯部(4)由热塑性弹性体形成，而所述垫片(3)的壳体(5)由具有高阻气性的聚合物形成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述垫片(3)的所述芯部(4)由具有低压缩比的热塑性弹性体形成，所述低压缩比的值在23℃的温度下等于或小于10％，并且在70℃的温度下等于或小于30％。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述垫片(3)的所述壳体(5)由具有低二氧化碳气体渗透率值的乙烯-乙烯醇共聚物或热塑性弹性体形成，所述低二氧化碳气体渗透率值在25℃的温度下等于或小于65Barrer，并且在75℃的温度下等于或小于250Barrer。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述电气设备外壳元件的主体(1)由高强度和高介电性聚合物材料或聚合物复合材料模制而成。