專利名稱：介電隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于流體輸送應(yīng)用的介電隔離器，特別涉及在航空器燃料系統(tǒng)中用于 控制雷閃感應(yīng)電流并允許靜電荷耗散的介電隔離器。
背景技術(shù)：
介電配件或隔離器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并可在從天然氣管道到根據(jù)需要提供 用于將液體傳送通過所選位置的管道或航空器艙壁(bullhead)結(jié)構(gòu)的許多應(yīng)用中使用， 在天然氣管道中，它們將監(jiān)視儀器與電流的影響隔離開，并在允許流體流動的同時(shí)中斷陰 極電流流動。在后一種應(yīng)用中，介電配件包含航空器艙壁兩側(cè)上的一體化配件連接，其允許 管、帶或其他流體承載部件的連接。這樣的介電配件還提供了限制兩個配件連接之間電流 流動但允許靜電荷的逐漸耗散的高電阻路徑。因此，介電配件——也稱為靜電耗散隔離器——的主要功能在于，耗散來自部分 地由于流體移動導(dǎo)致的靜電荷的電能，并限制雷閃發(fā)生時(shí)由于雷閃的間接影響導(dǎo)致的電 流。這些配件具有同等重要的第二功能，即對于經(jīng)過燃料槽或航空器其他區(qū)域的流體提供 安全的流體通道。

發(fā)明內(nèi)容
在一實(shí)施例中，公開了一種用于介電隔離器的流體承載元件。流體承載元件 包含管，管由包含PEEK和碳納米管的配合物(composition)構(gòu)成，其中，管配合物在所 施加的5000VDC電位下表現(xiàn)出大約IO3 Ω-cm到101° Ω-cm的體積電阻率(bulk volume resistivity)。在另一實(shí)施例中，公開了一種介電隔離器。介電隔離器包含管和附著到管的相反 的末端的一對耦合器(coupling)，管由包含熱塑性有機(jī)聚合物和碳納米管的配合物構(gòu)成。 在此實(shí)施例中，當(dāng)從一個耦合器到另一個耦合器測量時(shí)，在所施加的大于500VDC的電位 下，介電隔離器表現(xiàn)出從大約105Ω到108Ω的電阻。在另一實(shí)施例中，公開了一種用于航空器燃料系統(tǒng)的管道型(inline-type)介電 隔離器。介電隔離器包含管和螺紋附著到管的相反的末端的一對套環(huán)(ferrules)，管由包 含PEEK、碳納米管和碳纖維的配合物構(gòu)成。在此實(shí)施例中，當(dāng)從一個套環(huán)到另一個套環(huán)測量 時(shí)，在所施加的大于500VDC電位下，介電隔離器表現(xiàn)出從大約105Ω到108Ω的電阻。在另一實(shí)施例中，公開了一種用于航空器燃料系統(tǒng)的艙壁型(bullchead-type)介 電隔離器。介電隔離器包含管，管由包含PEEK、碳納米管、碳纖維和短切玻璃纖維的配合物 構(gòu)成。介電隔離器還包含螺紋附著到管的相反的末端的一對套環(huán)以及螺紋附著到套環(huán)之間 的管的法蘭。在此實(shí)施例中，當(dāng)從一個套環(huán)到另一個套環(huán)測量時(shí)，在所施加的大于500VDC 電位下，介電隔離器表現(xiàn)出從大約IO5 Ω到108Ω的電阻。


將會明了，附圖中的元件的所示出的分界線僅僅代表分界線的一個實(shí)例。本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員將會明了，一個元件可被設(shè)計(jì)為多個元件，或者，多個元件可被設(shè)計(jì)為一個元 件。被示為內(nèi)部特征的元件可被實(shí)現(xiàn)為外部特征，反之亦然。另外，在附圖和下面的介紹中，貫穿附圖和說明書，類似的部件分別用同樣的參考 標(biāo)號表示。附圖可能不是按比例繪制的，特定部件的比例為圖示便利起見已被放大。圖IA和IB分別示出了管道型介電隔離器100的一實(shí)施例的頂平面圖和局部截面 圖；圖2示出了艙壁型介電隔離器200的一實(shí)施例的透視圖；圖3示出了附著到艙壁300的艙壁型介電隔離器200的透視圖；圖4示出了示例性管配合物的雷閃前(pre-lightning)沖擊測試的電阻(y軸)vs 管直徑尺寸(X軸)的圖表；圖5示出了同一示例性管配合物的雷閃后(post-lightning)沖擊測試的電阻(y 軸)VS管直徑尺寸(X軸)的圖表。
具體實(shí)施例方式本申請指向用于航空器燃料系統(tǒng)的介電隔離器，其用于控制雷閃感應(yīng)電流并允許 靜電荷的耗散。介電隔離器被配置為具有足夠高的阻抗，以便將雷閃電流限制到低的水平， 但又具有足夠低的阻抗，以便允許電荷耗散而不允許累積。盡管介電隔離器可由于雷閃電 流的效應(yīng)及其固有阻抗而在介電長度上建立起電位差，它們被配置為耐受這些感應(yīng)電壓， 而不發(fā)生介質(zhì)擊穿或性能劣化。圖IA和IB分別示出了管道型介電隔離器100的一實(shí)施例的頂平面圖和局部截面 圖。介電隔離器100包含用于傳送例如為碳?xì)浠衔?hydrocarbon)航空燃料或液壓油的 流體的管110。在基本維度(kisicdimensions)下，管110沿著中心縱向軸線A軸向延伸預(yù) 定的長度L，并具有內(nèi)直徑Di和外直徑D。。如所示實(shí)施例所示出的那樣，管110在形狀上為 圓柱形，具有圓形截面，有著兩個相反的末端。然而，將會明了，管110可以用包括其他截面 形狀和多個末端在內(nèi)的多種其他構(gòu)造構(gòu)成。在一實(shí)施例中，管110的長度L可以從大約3英寸到5英寸。在另一實(shí)施例中，管 110的長度L可以從大約2英寸到9英寸。然而，將會明了，長度可高于或低于這些范圍，取 決于可用于構(gòu)建管的制造技術(shù)，并取決于系統(tǒng)和/或部件要求。在一實(shí)施例中，管110的內(nèi)直SDi可以從大約2英寸到3英寸。在另一實(shí)施例中， 內(nèi)直徑Di可以從大約1. 5英寸到4英寸。然而，將會明了，內(nèi)直徑可高于或低于這些范圍， 取決于可用于構(gòu)建管的制造技術(shù)，并取決于系統(tǒng)和/或部件要求。繼續(xù)參照圖IA和1B，介電隔離器100包含附著到管110的相反的末端的一對耦合 器120a、b，其各自被配置為連接到分立部件(未示出)的對應(yīng)耦合器(未示出)。將會明 了，任何類型的耦合器可被附著到管110的末端，包括但不限于螺紋耦合器、快速連接/斷 開耦合器或其他類型的耦合器。另外，耦合器120a、b不限于特定的尺寸，并可覆蓋寬廣范 圍的傳統(tǒng)尺寸和非傳統(tǒng)尺寸。耦合器120a、b可用金屬材料構(gòu)成，例如鋁或不銹鋼。在一特定實(shí)施例中，耦合器120a、b為鋁套環(huán)，其滿足SAE AS5836-1-XX (撓性)及SAE AS1656-1-XX (剛性)，并用按照 MIL-C-5541的化學(xué)轉(zhuǎn)化鍍層精加工。將會明了，耦合器材料不必局限于此，只要介電隔離器 100滿足給定安裝的機(jī)械和電氣要求。在所示出的實(shí)施例中，經(jīng)由短ACME螺紋(stub ACME thread)，耦合器120a、b螺 紋附著到管110的末端。作為替代的是，耦合器120a、b可粘接結(jié)合到管110的末端。盡 管可使用許多不同類型的粘接劑，可用于將耦合器120a、b結(jié)合到管110的末端的一種合 適的粘接劑為HuntsmanAdvanced Materials經(jīng)售的Araldite AV119。將會明了，耦合器 120a、b可使用多種其它的附著手段附著到管110的末端。例如，耦合器120a、b可被鉚接 (riveted)或煅接(swaged)到用于附著于其上的管110的末端。在所有情況下，保護(hù)性密 封劑(例如MIL-S-81733或MIL-S-438;3)可被應(yīng)用到耦合器120a、b和管110之間的搭接 面，以便將粘接結(jié)合(如果存在的話)從外部元件密封，并保護(hù)金屬耦合器120a、b免受原 電池效應(yīng)(galvanic effects)(取決于構(gòu)成管110的材料)。從機(jī)械的觀點(diǎn)看來，介電隔離器100中的管110用作流體承載元件，以允許流體流 過其中。然而，從電氣的觀點(diǎn)看來，介電隔離器中的管110還用作電阻器，其具有高且具有 魯棒性的電阻抗，以便將與雷閃事件相關(guān)聯(lián)的非直接電流限制到介電隔離器100上的低的 等級，但又具有足夠低的表面阻抗，以便允許靜電荷耗散而不允許累積。換句話說，管110 允許足夠的表面電流i經(jīng)其流動，以便防止靜電荷由于經(jīng)過燃料線路的流體流動而累積， 又將與在雷閃沖擊期間經(jīng)過其中的電壓V相關(guān)聯(lián)的電流i的流動限制到相對較低且對于航 空器燃料系統(tǒng)安全的電流等級。由于雷閃隔離要求電氣魯棒性，管110必須表現(xiàn)出高的電阻，即使在重復(fù)暴露于 高電壓之后。某些材料在暴露于高電壓——例如在雷閃隔離應(yīng)用中遭遇的那些——時(shí)經(jīng)歷 高電壓條件作用(high voltage conditioning)。高電壓條件作用是這樣的現(xiàn)象在暴露 于高電壓之后，其實(shí)質(zhì)上減小了材料的有效電阻。材料有效電阻的潰縮增大了材料的導(dǎo)電 率，使得材料實(shí)質(zhì)上喪失其隔離器特性。相應(yīng)地，管110用合適的材料構(gòu)成，其使管110有足夠的導(dǎo)電性以耗散與經(jīng)過以及 在管110上的燃料流動相關(guān)聯(lián)的靜電荷累積，同時(shí)，使得管110具有足夠的電阻，以便防止 與雷閃事件相關(guān)聯(lián)的電流經(jīng)過其間的流動。另外，出于上面討論的理由，管配合物需要有效 地免除高電壓條件作用。換句話說，管材料必須在經(jīng)歷重復(fù)的雷閃沖擊事件之后保持可接 受的電氣性能。為了滿足這些電氣要求，管110可由包含熱塑性有機(jī)聚合物、碳納米管以及視情 況可選的其他導(dǎo)電性碳材料的配合物構(gòu)成。為了適應(yīng)高電壓事件，這種管配合物在5000伏 DC施加電位下表現(xiàn)出大約IO3 Ω-cm到IOuiQ-Cm的體積電阻率。也可使用其他電壓，例如 1000伏DC或10000伏DC，并確定對應(yīng)的電阻率，然而，電阻率應(yīng)當(dāng)大致處于耗散到絕緣的 范圍內(nèi)，如下面所介紹的那樣。受到高電壓的熱塑性配合物傾向于隨著時(shí)間在其電阻率特性中遭受劣化，在受到 高電壓時(shí)的小到一個周期時(shí)，或甚至是在斜坡上升到高電壓期間。因此，這里的管配合物d 被制備為耐受高電壓事件并保持其電阻率特性。術(shù)語“體積電阻率劣化”用于指由于高電 壓事件引起的電阻率整體劣化的一個量度。在特定數(shù)量的周期后，在特定的電壓(例如100VDC，500VDC，1000VDC，5000VDC，或其他預(yù)定的電壓)下確定配合物的體積電阻率劣化。這樣的電阻率變化可稱為五沖擊體積 電阻率劣化，其中，五為特定的周期數(shù)。例如，5000VDC時(shí)的五沖擊體積電阻率劣化可通過使 材料經(jīng)歷零和5000VDC之間的循環(huán)達(dá)五個周期并在第一和第五周期期間在5000V下測量電 阻率來確定。受歡迎的是，在0和特定電壓之間的循環(huán)之后，當(dāng)前配合物表現(xiàn)出不超過20x 因子的五沖擊體積電阻率劣化。在某些實(shí)施例中，在零和例如5000VDC特定電壓之間的循 環(huán)之后，配合物表現(xiàn)出不超過15x、10x或甚至是切因子的五沖擊體積電阻率劣化。例如， 如果最大劣化為20x因子，特定電壓下的初始判斷為6X IO8Q-Cm的體積電阻率，體積電阻 率在第五周期時(shí)應(yīng)當(dāng)不小于3X IO7 Ω-cm。在其他的實(shí)施例中，在零和特定電壓之間的循環(huán) 后，例如在零和5000VDC之間循環(huán)5次后，當(dāng)前配合物可表現(xiàn)出不大于50%的五沖擊體積電 阻率劣化。在某些實(shí)施例中，在零和例如5000VDC的特定電壓之間的循環(huán)之后，當(dāng)前配合物 表現(xiàn)出不超過25 %、10 %、5 %或甚至是低到2 %的五沖擊體積電阻率劣化。例如，當(dāng)配合物 在其五沖擊體積電阻率劣化中表現(xiàn)出不大于50%的因子的最大劣化時(shí)，如果特定電壓下的 初始判斷為6 X IO8 Ω-cm，體積電阻率將在第五個周期時(shí)不小于3 X IO8 Ω-cm ；對應(yīng)地，對于 25 %的最大劣化，體積電阻率將在第五周期時(shí)不小于4. 5 X IO8 Ω -cm。這里所用的體電阻率(volume resistivity)為對經(jīng)過絕緣材料體的泄漏電流的 電阻(ohm-cm)。這里所用的表面電阻率(歐姆每平方)被定義為對沿著絕緣材料表面的泄 漏電流的電阻。隨著表面/體電阻率增大，材料的泄漏電流和電導(dǎo)率減小。作為體電阻率的基準(zhǔn)點(diǎn)，導(dǎo)電材料——例如金屬——為具有小于1 X 10_4 Ω -cm的 體積電阻率的材料。在導(dǎo)電材料中，電荷流到地或流到材料緊密相鄰或接觸的另一導(dǎo)電物 體。靜電屏蔽材料具有小于IXlO3Q-Cm但大于或等于1X10_4Q-Cm的體電阻率。耗散 材料具有從大約IXlO3Q-Cm到IX 101° Ω-cm的體電阻率。對于這些材料，與導(dǎo)電性材料 相比，電荷更為緩慢并以在某種程度上更可為受控的方式流到地。對于ESD敏感(靜電放 電)裝置，這些材料提供了對于能量傳輸?shù)姆ɡ芑\保護(hù)。絕緣材料被定義為具有至少 1 X 101° Ω -cm的體電阻率的材料。防止或限制電子流經(jīng)其表面或流過其體積的絕緣材料具 有高的電阻，且難以接地。靜電荷在絕緣材料中以延長的時(shí)間段保持在原位。表1給出了 對于上述這些材料的體電阻率與表面電阻率。表1 材料類型的體電阻率與表面電阻率
權(quán)利要求
1.一種用于介電隔離器的流體承載元件(100)，流體承載元件包含 管(110)，其由包含PEEK和碳納米管的配合物構(gòu)成，其中，管(110)配合物在5000VDC的施加電位下表現(xiàn)出從大約IO3 Ω-cm到IOuiQ-Cm的 體積電阻率。
2.權(quán)利要求1的流體承載元件(100)，其中，管配合物包含從大約50wt%到98wt%的 PEEK。
3.權(quán)利要求1的流體承載元件(100)，其中，管配合物包含從大約0.05wt%到2. Owt % 的碳納米管。
4.權(quán)利要求1的流體承載元件(100)，其中，管配合物還包含磨碎碳纖維。
5.權(quán)利要求4的流體承載元件(100)，其中，管配合物包含從大約Iwt%到IOwt^的磨 碎碳纖維。
6.權(quán)利要求4的流體承載元件(100)，其中，管配合物還包含玻璃纖維。
7.權(quán)利要求6的流體承載元件(100)，其中，管配合物包含從大約5wt%到60wt %的玻璃纖維。
8.權(quán)利要求6的流體承載元件(100)，其中，管配合物包含從大約60到75wt%的PEEK， 從大約0. 2到0. 4wt %的碳納米管，從大約2到7wt %的碳纖維，從大約15到40wt %的玻璃纖維。
9.權(quán)利要求1的流體承載元件(100)，其中，管配合物在大于5000VDC的施加電位下表 現(xiàn)出不大于50%的因子的五沖擊體積電阻率劣化。
10.一種介電隔離器(100)，包含管(110)，其用包含熱塑性有機(jī)聚合物和碳納米管的配合物構(gòu)成；以及 一對耦合器(120a、b)，其附著到管(110)的相反的末端，其中，當(dāng)從一個耦合器到另一個耦合器測量時(shí)，在大于500VDC的施加電位下，介電隔 離器(100)表現(xiàn)出從大約105Ω到108Ω的電阻。
11.權(quán)利要求10的介電隔離器(100)，其中，熱塑性有機(jī)聚合物包含PEEK。
12.權(quán)利要求11的介電隔離器(100)，其中，管配合物包含從大約50wt%到98wt%的 PEEK。
13.權(quán)利要求10的介電隔離器(100)，其中，管配合物包含從大約0.05wt%到2.0wt% 的碳納米管。
14.權(quán)利要求11的介電隔離器(100)，其中，管配合物還包含磨碎碳纖維。
15.權(quán)利要求14的介電隔離器(100)，其中，管配合物包含從大約Iwt%到IOwt %的磨 碎碳纖維。
16.權(quán)利要求14的介電隔離器(100)，其中，管配合物包含從大約5wt%到60wt%的玻 璃纖維。
17.權(quán)利要求14的介電隔離器(100)，其中，管配合物包含從大約60到75wt%的PEEK， 從大約0. 2到0. 4wt %的碳納米管，從大約2到7wt %的碳纖維，從大約15到40wt %的玻璃纖維。
18.權(quán)利要求10的介電隔離器(100)，其還包含在末端耦合器(120a、b)之間附著到管 并被配置為附著到艙壁(300)的法蘭010)。
19.權(quán)利要求19的介電隔離器(100)，其中，法蘭(210)用鋁構(gòu)成，并經(jīng)由短ACME螺紋 附著到管010)。
20.權(quán)利要求10的介電隔離器(100)，其中，介電隔離器(100)能夠在暴露于十二個電 壓脈沖期間以及之后不表現(xiàn)出無論內(nèi)部還是外部的電弧或火花，或是波形崩潰，其中，電壓 脈沖每種極性(正和負(fù))六個，并具有符合根據(jù)SAE ARP5412的電壓波形B的9000V的峰值振幅。
全文摘要
本申請指向用在航空器燃料系統(tǒng)中的介電隔離器，其用于控制雷閃感應(yīng)電流，并允許靜電荷的耗散。介電隔離器被配置為具有足夠高的阻抗，以將雷閃電流限制到低的等級，但具有足夠低的阻抗，以允許靜電荷耗散而不允許累積。盡管介電隔離器可由于雷閃電流效應(yīng)及其固有阻抗在介電長度之間建立電位差，它們被配置為耐受這樣的感應(yīng)電壓，而不會有介電擊穿或性能劣化。在一實(shí)施例中，介電隔離器(100)包含管(110)和附著到管(100)的相反末端的一對耦合器(120a、b)，管(110)用包含熱塑性有機(jī)聚合物(例如PEEK)和碳納米管的配合物構(gòu)成。當(dāng)從一個耦合器(120a)到另一個耦合器(120b)測量時(shí)，在大于500VDC的施加電位下，介電隔離器(100)能夠表現(xiàn)出大約105Ω到108Ω的電阻。
文檔編號F16L25/03GK102137794SQ200980133766
公開日2011年7月27日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者C·P·布雷, E·W·S·布賴恩特, S·C·馬修斯, S·D·普凡嫩施蒂爾 申請人:伊頓公司