Herkkien elektronisten laitteiden suojaaminen iskuilta, tärinältä ja lämpötilalta

Iskut, tärinä ja liiallinen kuumeneminen ovat uhka kaikille elektronisille järjestelmille, sillä ne voivat johtaa nopeasti järjestelmän vikaantumiseen. Myös liiallinen melu käytön aikana aiheuttaa asiakasvalituksia ja kohtuuttoman määrän korjauspyyntöjä. Lisäksi huono jäähdytys voi lisätä kustannuksia.

Väärin asennettu jäähdytystuuletin voi synnyttää tärinää ja melua. Huoltopaneelien ja huoltoluukkujen ympärillä voi olla ilmavuotoja, jotka vuotavat kylmää ilmaa. Tämä nostaa ilman lämpötilaa ja heikentää ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmien jäähdytystehokkuutta. Kotelot saattavat kolista ja täristä mekaanisten resonanssien vuoksi.

Melun, tärinän ja lämpötilan nousu on lähes väistämätöntä, mutta se on minimoitava. Suunnittelijat voivat käyttää tähän energiaa vaimentavia polyuretaanivaahtotiivisteitä, puskureita ja vaimentimia. Oikean materiaalin valitseminen edellyttää kuitenkin niiden tärkeimpien ominaisuuksien ja suorituskyvyn ymmärtämistä.

Tässä artikkelissa tarkastellaan tärkeimpiä ominaisuuksia, jotka suunnittelijoiden on otettava huomioon valitessaan vaimentavaa materiaalia ja siinä käytetään 3M ISOLOSS LS -polyuretaanivaahtotuotteita käytännön esimerkkeinä. Artikkelissa näytetään miten ISOLOSS LS -polyuretaanivaahtotuotteita voidaan käyttää kriittisten laitteiden suojaamiseen myös kaikkein vaativimmissa sovelluksissa ja miten tämä säästää suunnittelijoiden aikaa ja kustannuksia.

ISOLOSS LS -polyuretaanivaahto

3M ISOLOSS -materiaalit ovat hienosoluisia polyuretaanivaahtoja, joiden tiheys on korkea. Ne ovat kestäviä ja vaimentavat tehokkaasti energiaa. Niiden puristuspainuma on alhainen ja niiden taipuminen voiman vaikutuksesta on tasaista. Niitä voidaan myös käyttää laajalla lämpötila-alueella. Niitä on saatavana useilla eri tiheyksillä, eri paksuisina ja eri muodoissa, kuten tiivistenauhoina, ympyröinä ja neliöinä sekä neliömuotoisina ja suorakulmaisina levyinä (kuva 1).

Kuva 1: 3M ISOLOSS LS -polyuretaanivaahtoa on saatavana useissa eri muodoissa valmiina käytettäväksi puskureina, tiivisteinä, tärinäeristeinä ja vaimennuslevyinä. (Kuvan lähde: 3M)

Sen lisäksi että sitä on saatavana eri muodoissa, ISOLOSS LS -polyuretaanivaahtoa on saatavana neljänä eri tiheytenä: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4) ja 25 (400,5) paunaa per kuutiojalka (lb/ft³) (kilogrammaa per kuutiometri (kg/m³)). Tiheys on tärkeä tekijä polyuretaanivaahdon sovittamisessa haluttuun sovellukseen. Kaikki nämä vaahtomuovituotteet toimivat lämpötila-alueella -40 °C ... +107 °C (-40 ˚F ... 228 °F).

Polyuretaanivaahtoa käytetään kolmentyyppisissä käyttökohteissa: tiivisteissä, pehmusteissa ja tuissa sekä energianhallinnassa. Tiivisteiden on pystyttävä sulkemaan aukot, vaimentamaan mekaanisia iskuja ja tärinää sekä muodostamaan tiiviste vastakkaisten pintojen välille. Tuulettimen ja kotelon välinen tiiviste eristää tärinän ja estää paineen laskun. Pehmustamiseen ja tukemiseen kuuluu esineiden eristäminen toisistaan, esimerkkinä oven sulkeutumista valvovan kytkimeen asennettava puskuri. Puskuri toimii kytkimen pehmikkeenä ja vähentää oven sulkeutumisen aiheuttamaa rasitusta. Tällaisissa sovelluksissa käytetään tavallisesti pieniä pyöreitä tai neliömäisiä pehmusteita kuten LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK tai LS-2006-PSA-2-X2-50PK. Energianhallintaan kuuluu mekaanisen energian vähentäminen iskunvaimennuksen ja tärinänvaimennuksen avulla.

Polyuretaanivaahdon tärkeimmät ominaisuudet

Kaikki nämä sovellukset riippuvat siitä, että vaahtomuovi säilyttää muotonsa ja säilyttää vastavoiman sitä puristavaa esinettä vastaan. Näitä polyuretaanivaahdon ominaisuuksia kuvataan puristuspainumalla ja puristusvoimataipumalla (CFD, compression force deflection).

Puristuspainuma mittaa vaahtomuovin pysyvää muodonmuutosta pitkäaikaisen puristuksen jälkeen. Pieni puristuspainuma-arvo tarkoittaa, että vaahtomuovi palaa alkuperäiseen paksuuteensa toistuvan tai pitkäkestoisen puristuksen jälkeen. 3M ISOLOSS LS -vaahtojen puristuspainuma on joustavia solumateriaaleja koskevan ASTM D1667 -standardin mukaisesti alle 1 % (huonelämpötilassa).

ASTM D3574 D määrittää joustavien solumateriaalien standarditestausmenetelmät ja sen miten puristuspainuma mitataan. Testattava materiaali puristetaan 50 prosentin paksuuteen ja altistetaan pitkäksi aikaa korkealle lämpötilalle. Puristuspainuma on prosenttiarvo, joka kuvaa sitä, miten monta prosenttia alkuperäisestä paksuudesta on hävinnyt, kun puristus lopetetaan.

Tyypillinen käyttökohde, jossa tarvitaan hyvää puristuspainumaa, on ilmastointilaitteen suodatinrakenteen tiiviste (kuva 2).

Kuva 2: ISOLOSS LS -vaahtomuovitiiviste alhaisella puristuspainumalla tiivistää ilmastointilaitteen suodatinrakenteen huoltoluukun ja minimoi ilmavuodot sekä pitää suodattimen paikoillaan. (Kuvan lähde: 3M)

Ilmansuodatinrakenteessa käytetään polyuretaanivaahtoa, jonka puristuspainuma on alhainen. Tämä tiivistää suodatinkotelon ja pitää suodattimen paikallaan. Kun suodatin poistetaan vaihtoa tai puhdistusta varten, vaahtomuovi laajenee takaisin lähes täyteen paksuuteensa. Alhainen puristuspainuma varmistaa, että tiiviste säilyttää suorituskykynsä riippumatta siitä kauanko se on ollut puristuksessa. Tässä sovelluksessa käytettäisiin sellaista tiivistevaahtoa kuten 3M LS-1025LM/PSA-0.75 tuuman (in.) x 180 in.-1RL. LS-1025LM/PSA on 0,75 tuumaa leveä ja 0,25 tuumaa paksu nauha, jonka tiheys on 10 lb/ft³. Tämä pehmeä vaahtomuovi mukautuu suodattimen muotoon ja pitää sen paikallaan samalla kun se tiivistää oviaukon.

CFD mittaa vaahdon lujuutta erilaisilla puristusvoimakkuuksilla. ASTM D3574C mittaa CFD-arvon puristamalla vaahtomuovin 100 %:n alkuperäispaksuudesta 30 %:n paksuuteen, mikä vastaa 10 % – 70 %:n puristusta. Kun vaahtomuovia puristetaan, sen haluttuun paksuuteen puristamiseen käytettävä puristusvoima mitataan puristuspinnasta. On tärkeää muistaa, että tämä on samalla myös vaahtomuovin puristuspintaan kohdistama voima. Kuva 3 esittää kaavion puristuksessa käytetyn voiman funktiona. Kullekin ISOLOSS LS -vaahtotiheydelle annetaan CFD-taulukot ja/tai kaaviot, joiden avulla vaahtomuovin valintaprosessia voidaan tarkentaa halutun sovelluksen mukaisesti.

Kuva 3: Sarja CFD-kaavioita neljälle saatavana olevalle vaahtomuovitiheydelle (10, 15, 20 ja 25 (lb/ft³)). Voimaa voidaan lisätä kasvattamalla vaahtomuovin tiheyttä tai kasvattamalla puristusta. (Kuvan lähde: 3M)

Ajatellaanpa pehmustussovellusta, jossa kahta pintaa on pidettävä erossa toisistaan 100 kPa:n (14,5 psi) paineella. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä 25 lb/ft³:n vaahtomuovia, joka puristetaan noin 16 %:n paksuuteen, 20 lb/ft³:n vaahtomuovia, joka puristetaan noin 28 %:n paksuuteen, 15 lb/ft³:n vaahtomuovia, joka puristetaan noin 50 %:n paksuuteen tai 10 lb/ft³:n vaahtomuovia, joka puristetaan noin 70 %:n paksuuteen.

Tärinän ja melun vaimennus

Rakenteellinen vaimennus on keino poistaa mekaanista energiaa muuttamalla se lämmöksi. Vaimennusmateriaalit kiinnitetään suoraan rakenteen pintaan vahvan liiman avulla (kuva 4).

Kuva 4: Pintoihin kiinnitettyjä ISOLOSS LS -vaahtomuovilevyjä vodaan käyttää äänen vaimentamiseen; 3M tarjoaa suuren valikoiman paineherkkiä liimoja, joita voidaan käyttää niiden kanssa. (Kuvan lähde: 3M:n E.A.R.-osasto)

Tämä on yksinkertaisin muoto vaimennusjärjestelmästä. Energiaa dissipoituu vaimennusmateriaalin venyessä ja puristuessa sen seurauksena, että perusrakenne synnyttää siihen taivutusjännityksiä. Jopa tätä yksinkertaista järjestelmää huolellisesti käyttämällä voidaan suunnitella merkittäviä tuloksia tarjoava vaimennusjärjestelmä. Erityisesti iskumelun vähennykset voivat olla 20 desibeliä (A-painotettu) (dBA) ja enemmänkin. Vaimennusmateriaaleja on saatavana neliön tai suorakaiteen muotoisina levyinä sekä pyöreinä tai neliön muotoisina lappuina. Nämä levymateriaalit voidaan leikata leikkurimuotilla tai laserilla, mikä helpottaa OEM-valmistajan kokoonpanoa, tai niistä voidaan valmistaa jälkiasennussarjoja huoltoa varten. Peittävyyden ei tarvitse olla täydellinen ollakseen tehokas, ja 10 dBA:n tai korkeampi melunvaimennus voidaan saavuttaa jo 25 prosentin peittävyydellä. Kookkaammat levyt, kuten 3M LS-1506/PSA-5"x7"-10PK ja LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK, ovat hyödyllisiä vaimennuksessa. Joustavuutensa ansiosta nämä vaahtomuovit mukautuvat useimpiin tuotemalleihin.

Vaimennuksen ja äänenvaimennuksen tehokkuuteen vaikuttavat neljä tekijää:

1. Pohjamateriaalin tyyppi ja paksuus.
2. Vaimennusmateriaalin paksuus ja ominaisuudet toimintalämpötilassa ja -taajuudella.
3. Vaimennusmateriaalin paksuuden suhde perusmateriaalin paksuuteen.
4. Vaimennusmateriaalin peittämän pinta-alan prosenttiosuus.

Vaimennus- ja tärinänhallintatekniikoissa hyödynnetään polyuretaanivaahdon kykyä muuntaa mekaaninen liike matalatasoiseksi lämmöksi, mikä vähentää melua ja tärinää. ISOLOSS LS -polyuretaanivaahdot mahdollistavat energianhallinnan näissä sovelluksissa, koska ne säilyttävät mallinsa, muotonsa, sovituksensa ja toimintakykynsä myös vaativissa olosuhteissa.

Taulukossa 1 esitetään kattava teknisten tietojen yhteenveto ISOLOSS LS -polyuretaanivaahdon neljälle saatavana olevalle tiheydelle. Keskeisten puristuspainumaa ja puristusvoimataipumaa koskevien tietojen lisäksi taulukossa esitetään vaahtomateriaalin kvalifiointiin käytetyt testistandardit.

Taulukko 1: Kuvassa esitetään ISOLOSS LS -polyuretaanivaahdon tyypilliset ominaisuudet neljälle saatavana olevalle tiheydelle. (Kuvan lähde: 3M)

Yhteenveto

On totta, että monissa järjestelmissä esiintyy tärinää, iskukuormia, melua ja äärilämpötiloja, mutta niitä voidaan vähentää merkittävästi oikealla vaimennusmateriaalilla. Kuten edellä on esitetty, 3M ISOLOSS LS -polyuretaanivaahdot tarjoavat suuren valikoiman erilaisia muotoja, tiheyksiä ja paksuuksia, ja ne kestävät käyttöä monenlaisissa ympäristöissä sekä tarjoavat pitkän käyttöiän. Ne sopivat tiivistyssovelluksiin, joissa niillä tiivistetään aukkoja ja vähennetään tärinää. Pehmuste- ja tukisovelluksissa ne vähentävät iskuja ja tärinää samalla kun ne pitävät osakokoonpanoja paikoillaan. Lopuksi niitä käytetään myös vaimennuksessa vähentämään melua.