PTFE panardinamojo šildytuvo viduje švytinti nichromo atsparumo viela yra atskirta nuo proceso skysčio šilumą izoliuojančia fluoropolimero sienele. Dar viena, mažiau matoma šiluminė kliūtis egzistuoja giliau įrenginio viduje: mikroskopinis oro tarpas tarp šildymo laido ir vidinio PTFE apvalkalo paviršiaus. Net ir itin mažos tuštumos, užpildytos stovinčiu oru, sukuria stebėtinai stiprų atsparumą šilumos srautui.
Siekiant pašalinti šį paslėptą neefektyvumą, naudojamos naujos kartos vidinės šiluminės sąsajos medžiagos (TIM). Gaminant šildytuvą, tarp nichromo ritės ir PTFE apvalkalo dedamos lanksčios, labai laidžios, keraminės{1}} medžiagos, pakeičiančios izoliacines oro kišenes ištisiniu šiluminiu keliu. Rezultatas – geresnis vidinis šilumos perdavimas, žemesnė laidų darbinė temperatūra ir galimai didesnis šildytuvo galios tankis.
Atsirandantis vaidmuopažangus TIM nichromo vielos PTFE apvalkalasŠi koncepcija pritraukia dėmesį, nes gamintojai siekia kompaktiškesnių, efektyvesnių ir patvaresnių cheminių panardinamųjų šildytuvų, neprarandant atsparumo korozijai.
Paslėpta šiluminė kliūtis PTFE šildytuvų viduje
PTFE panardinamieji šildytuvai yra plačiai naudojami, nes fluoropolimero apvalkalas užtikrina išskirtinį cheminį atsparumą. Tačiau kompromisas- yra šilumos laidumas.
PTFE perduoda šilumą daug mažiau efektyviai nei metalai, o tai reiškia, kad vidinės varžos viela dažnai veikia daug aukštesnėje temperatūroje nei išorinis apvalkalo paviršius. Bet kokia papildoma šiluminė varža šildytuvo viduje dar labiau padidina šį temperatūros skirtumą.
Gamybos metu natūraliai susidaro mikroskopiniai oro tarpai, nes:
Nichromo vielos paviršiai yra netaisyklingi
PTFE vidinės sienos nėra visiškai lygios
Dėl terminio plėtimosi susidaro mažytės tuštumos
Ritės apvijos geometrija palieka pertraukiamus kontaktinius taškus
Oras yra labai prastas šilumos laidininkas. Net plonas nenutrūkstamas sluoksnis gali žymiai apriboti šilumos perdavimą iš laido į apvalkalo sienelę.
Dėl to vielos temperatūra pakyla neproporcingai, pagreitėja oksidacija, trapumas ir terminis nuovargis.
Kaip pažangūs TIM pagerina šilumos perdavimą
Pažangios šiluminės sąsajos medžiagos yra skirtos pašalinti šias vidines tuštumas.
Prieš įkišant į PTFE apvalkalą, aplink nichromo ritę uždedama aukšta-temperatūrinė, elektrą izoliuojanti ir šilumai laidži medžiaga. Surinktas TIM užpildo mikroskopinius tarpus ir sukuria nuolatinį laidų tiltą tarp laido ir aplinkinės konstrukcijos.
Keramikos -užpildytos pastos dėmės apvalkalo viduje tampa šiluminiu tilteliu, nunešančiu šilumą nuo švytinčios vielos, kad ji nesusikauptų ir būtų sugadinta.
Koncepcija primena TIM technologiją, naudojamą:
Galios elektronika
CPU aušinimo sistemos
Elektromobilių akumuliatorių moduliai
Puslaidininkinė pakuotė
Tačiau PTFE šildytuvuose medžiaga turi atlaikyti daug atšiauresnes šilumines ir chemines sąlygas ilgą eksploatavimo laikotarpį.
Įprastos TIM medžiagos, naudojamos šildytuvų mazguose
Tiriamos kelios pažangios medžiagų sistemos, skirtos vidinio šildytuvo šilumos valdymui.
Boro nitrido{0}}pripildyti silikono junginiai
Boro nitridas yra viena iš perspektyviausių užpildų, nes jame yra:
Aukštas šilumos laidumas
Elektros izoliacija
Cheminis stabilumas
Aukštos{0}}temperatūros galimybė
Lankstūs silikono -pagrindo rišikliai, kuriuose yra boro nitrido dalelių, gali glaudžiai prisitaikyti prie netaisyklingų ritės paviršių, išlaikydami šiluminį kontaktą plėtimosi ir susitraukimo ciklų metu.
Kadangi boro nitridas išlieka elektrai nelaidus, išsaugoma dielektrinė izoliacija tarp laido ir apvalkalo.
Grafito folijos įvyniojimai
Taip pat vertinamos tam tikros šildytuvų architektūros grafito{0}}pagrindo šiluminės apvyniojimo medžiagos.
Šie ploni laidūs sluoksniai gali pagerinti šilumos plitimą aplink ritę ir sumažinti lokalizuotas karštąsias vietas. Tačiau grafito medžiagoms reikia kruopštaus elektros izoliavimo strategijų, nes pats grafitas yra laidus elektrai.
Keraminės{0}}polimerinės plėvelės
Lanksčios keraminės{0}}polimerinės juostos yra kitas būdas. Šios sukurtos plėvelės yra apvyniotos aplink kaitinimo elementą, kad būtų sukurtas vienodas šiluminės sąsajos sluoksnis, kurio storis kontroliuojamas ir kartojamas.
Vidinės temperatūros kritimo sumažinimas
Pagrindinis inžinerinis tikslaspažangus TIM nichromo vielos PTFE apvalkalasmetodas yra vidinės temperatūros kritimo mažinimas.
Be TIM sluoksnio šiluma turi peržengti kelias termiškai neefektyvias ribas:
Nichromo vielos paviršius
Oro tuštumos
PTFE vidinė sienelė
PTFE tūrinis storis
Proceso skystis
Izoliacinius oro tarpus pakeitus laidžia medžiaga, šiluminė varža gerokai sumažėja.
Rezultatas – patobulinta šiluminė jungtis tarp kaitinimo elemento ir apvalkalo sienelės.
Aušintuvo vielos veikimas
Esant tam tikram vatų tankiui, pagerintas šilumos perdavimas leidžia nichromo vielai veikti žemesnėje vidinėje temperatūroje.
Ši aušintuvo veikimo sąlyga gali sumažinti:
Oksidacijos laipsniai
Terminis šliaužimas
Pasipriešinimo dreifas
Mechaninis nuovargis
Ankstyvas elementų perdegimas
Laido eksploatavimo trukmės pailginimas tampa ypač vertingas chemiškai agresyviuose procesuose, kai šildytuvo keitimas yra brangus arba trikdo veikimą.
Didesnis saugus vatų tankis
Kitas privalumas yra kompaktiškas šildytuvo dizainas.
Jei vidinio laido temperatūrą galima valdyti efektyviau, šildytuvas gali saugiai veikti esant didesniam vatų tankiui, neviršydamas medžiagos temperatūros ribų.
Tai sukuria galimybes:
Mažesnės šildytuvo geometrijos
Greitesnis{0}}kaitinimo greitis
Didesnis proceso pralaidumas
Padidėjusi galios koncentracija
Gamintojai kartais apibūdina šį metodą kaip vidinę šiluminio optimizavimo strategiją, o ne kaip išorinio šildytuvo struktūros pertvarkymą.
Medžiagos stabilumo reikalavimai
TIM veikimas PTFE šildytuve labai priklauso nuo ilgalaikio -šiluminio stabilumo.
Sąsajos medžiaga turi likti:
Lankstus pakartotinai važiuojant dviračiu
Chemiškai stabilus
Elektra izoliuojantis
Surištas mechaniškai
Ne{0}}išsiskiria dujos esant darbinei temperatūrai
Išmesti dujas ypač svarbu naudojant didelio{0}}grynumo chemines medžiagas. Lakieji junginiai, išsiskiriantys iš nestabilių sąsajos medžiagų, laikui bėgant gali užteršti jautrias proceso vonias arba susidaryti tuštumų šildytuvo viduje.
Dėl šios priežasties tik kruopščiai sukurtos aukštos{0}}temperatūrinės kompozicijos yra tinkamos ilgalaikiam-panardinamajam šildytuvui.
PTFE cheminės barjero palaikymas
Vienas iš patraukliausių pažangios TIM integracijos aspektų yra tai, kad išorinio šildytuvo cheminė sudėtis nesikeičia.
PTFE apvalkalas ir toliau suteikia tą patį:
Atsparumas korozijai
Cheminis inertiškumas
Nelipnaus{0}} paviršiaus savybės
Elektros izoliacija
Proceso suderinamumas
Veikimo padidėjimas atsiranda viduje, nekeičiant chemiškai atsparaus išorinio paviršiaus, veikiamo proceso skysčio.
Dėl to ši technologija yra palyginti ekonomiška{0}}palyginti su visiškai perprojektuota, naudojant egzotiškas apvalkalo medžiagas arba sudėtingesnę šildytuvo geometriją.
Galimi ateities pokyčiai
Vykdomi šiluminės sąsajos inžinerijos tyrimai gali papildomai pagerinti PTFE šildytuvo veikimą.
Aktyvaus susidomėjimo sritys apima:
Nano{0}}keraminės TIM kompozicijos
Fazė-pakeiskite šiluminius junginius
Savigydos sąsajos sluoksniai
Papildomai gaminamos laidžios konstrukcijos
Hibridinės keramikos{0}}polimero matricos
Kadangi galios tankio poreikiai ir toliau didėja puslaidininkių, cheminio apdorojimo ir itin grynos gamybos sistemose, tikimasi, kad vidinis terminis optimizavimas taps svarbesnis.
Išvada
Pažangios vidinės šiluminės sąsajos medžiagos yra subtilus, bet potencialiai svarbus PTFE panardinamojo šildytuvo technologijos patobulinimas. Mikroskopinius oro tarpus tarp nichrominės vielos ir apvalkalo sienelės užpildydami laidžiomis, elektrą izoliuojančiomis medžiagomis, šie TIM sluoksniai sumažina vidinę šiluminę varžą ir pagerina šilumos perdavimo efektyvumą.
Dėl to sumažėjusi laido darbinė temperatūra gali pailginti šildytuvo tarnavimo laiką, o patobulinta šiluminė jungtis taip pat gali palaikyti didesnį saugų vatų tankį ir kompaktiškesnį šildytuvo dizainą. Boro nitrido{1}}užpildyti junginiai, grafito-pagrindo medžiagos ir keraminės-polimerinės plėvelės prisideda prie šio atsirandančio šilumos valdymo metodo.
Pažanga veikia kaip vidinis patobulinimas, o ne matomas pertvarkymas, pagerinantis šildytuvo veikimą aušinant jo šerdį. Todėl kitas reikšmingas PTFE šildytuvo efektyvumo ir ilgaamžiškumo padidėjimas gali atsirasti ne iš išorinio apvalkalo, o iš nematomo šiluminio sluoksnio, paslėpto giliai jo viduje.
