Silikoninės gumos šildytuvas, kuris yra vulkanizuotas arba klijuojamas prie plokščios aliuminio plokštės, turi daug glaudesnį terminį kontaktą nei tas, kuris yra tiesiog prispaustas. Ši tvirta jungtis efektyviau atitraukia šilumą nuo silikono, todėl galios tankis yra šiek tiek agresyvesnis. Tačiau šiluma vis tiek kyla iš trapus polimero, todėl jo vidinės temperatūros ribos niekada negali būti pažeistos. Pasirinkus teisingąvatų tankio silikoninės gumos šildytuvas aliuminio plokštelėagregatams reikia aiškiai suprasti šiluminį kelią, jungties pranašumus ir pagrindinius pačios silikoninės medžiagos apribojimus.
Vatų tankio ir jo pasekmių supratimas
Vatų tankis (matuojamas W/cm² arba W/in²) yra šiluminės galios kiekis, generuojamas šildytuvo paviršiaus ploto vienetui. Esant tam tikrai bendrai galiai, mažesnis šildytuvas veikia didesniu vatų tankiu, o didesnis, išsklaidytas šildytuvas – mažesniu vatų tankiu. Vatų tankis tiesiogiai lemia varžos laido ir greta esančios silikoninės gumos vidinę temperatūrą.
Jei vatų tankis yra per didelis, šalia laido esantis silikonas viršija nuolatinę eksploatavimo temperatūrą, todėl:
Pagreitintas terminis senėjimas– Polimeras tampa trapus ir praranda elastingumą.
Sumažintas dielektrinis stiprumas– Elektros gedimo pavojus.
Obligacijų nesėkmė– Klijai arba vulkanizuotas ryšys su aliuminiu gali pablogėti.
Rūkymas ar deginimas– Esant dideliam perkrovimui, silikonas gali suirti.
Todėl pasirenkant vatų tankį, karščiausias silikono taškas visada turi būti žemiau medžiagos saugaus veikimo ribos.
Surišta sąsaja: terminis greitkelis
Silikono guminis šildytuvas gali būti pritvirtintas prie aliuminio plokštės keliais būdais. Du dažniausiai naudojami metodai:
Suspaustas (arba slėgio kontaktas)– Šildytuvas prispaudžiamas prie plokštelės spaustukais, spyruoklėmis arba mechaniniu rėmu. Oro tarpams užpildyti gali būti naudojamas terminis tepalas arba plonas padas.
Surištas– Gamybos metu šildytuvas vulkanizuojamas tiesiai į aliuminį arba šildytuvui visam laikui pritvirtinti naudojami aukštos temperatūros klijai (pvz., silikono pagrindu arba epoksidinė derva).
Sujungtos sąsajos šiluminė varža yra žymiai mažesnė nei suspaustos sąsajos, nes:
Nėra oro tarpų– Panaikinamos mikroskopinės oro kišenės (kurios veikia kaip izoliatoriai).
Nuolatinis materialus kelias– Iš išorinio šildytuvo sluoksnio šiluma be pertrūkių teka į klijus, o po to į aliuminį.
Mažesnis kontaktinis pasipriešinimas – The thermal resistance of a bonded interface can be as low as 0.1–0.3 K·cm²/W, whereas a clamped interface with thermal grease might be 0.5–1.0 K·cm²/W, and a dry clamped interface can be >2 K·cm²/W.
Ši mažesnė šiluminė varža reiškia, kad esant tokiam pačiam vatų tankiui, silikono temperatūra prie laido yra žemesnė, kai surišama. Ir atvirkščiai, esant tokiai pačiai maksimaliai leistinai laido temperatūrai, sujungtas šildytuvas gali būti naudojamas ašiek tiek didesnis vatų tankisnei prispaustas šildytuvas.
Silikono vidinės temperatūros apskaičiavimas
Silikono, esančio šalia varžos laido (T_wire), temperatūra nustatoma pagal:
T_viela=T_platen + ΔT_silikonas + ΔT_jungtis
Kur:
T_platen– Išmatuota arba kontroliuojama aliuminio plokštės paviršiaus temperatūra (pvz., 150 laipsnių).
ΔT_silikonas– Temperatūros kilimas per silikoninės gumos sluoksnio storį tarp vielos ir išorinio šildytuvo paviršiaus. Tai apskaičiuojama taip:
ΔT_silikonas=(vatų tankis × storis) / k_silikonas
kur k_silikonas ≈ 0,2–0,25 W/m·K, storis paprastai 1–2 mm.
ΔT_obligacija– Temperatūros kritimas per klijų arba sukibimo liniją. Aukštos kokybės sujungimui tai yra maža (keli laipsniai).
Sujungto šildytuvo pavyzdys:
Vatų tankis=1.2 W/cm²=12 000 W/m²
Silikono storis=1.5 mm=0.0015 m
k_silikonas=0.22 W/m·K
ΔT_silikonas=(12 000 × 0,0015) / 0,22 ≈ 82 K
ΔT_obligacija ≈ 5 K
T_platen=150 laipsnis
T_wire=150 + 82 + 5=237 laipsnis
Jei silikono nuolatinė vertė yra 200 laipsnių, 1,2 W/cm² vatų tankis būtų per didelis šiai plokštelės temperatūrai. Vatų tankis turi būti sumažintas arba plokštumos nustatyta vertė arba naudojamas storesnis ar laidesnis silikonas.
Rekomenduojami vatų tankio diapazonai suklijuotiems silikoniniams šildytuvams ant aliuminio
Saugus vatų tankis priklauso nuo kelių veiksnių: plokštelės darbinės temperatūros, silikono storio ir klasės, sukibimo kokybės ir nuo to, ar šildytuvas veikia ciklais, ar nuolat veikia. Šioje lentelėje pateikiamos bendros nuolatinio veikimo gairės:
| Plokštelės nustatytoji temperatūra | Didžiausias rekomenduojamas vatų tankis (surištas) | Didžiausias rekomenduojamas vatų tankis (prispaustas, su tepalu) |
|---|---|---|
| 50 laipsnių | 2,0–2,5 W/cm² | 1,5–2,0 W/cm² |
| 100 laipsnių | 1,3–1,8 W/cm² | 0,9–1,3 W/cm² |
| 150 laipsnių | 0,8–1,2 W/cm² | 0,5–0,8 W/cm² |
| 200 laipsnių | 0,3–0,6 W/cm² | Nerekomenduojama (prispausti šildytuvai paprastai ribojami iki 150 laipsnių plokštės) |
Šios vertės apima standartinę silikoninę kaučiuką su nuolatine 200 laipsnių riba ir mažos šiluminės varžos sukibimo linija. Specialiai sukurtų aukštos temperatūros silikonų (įvertintų iki 250 laipsnių) vatų tankis gali būti padidintas maždaug 20–30 % kiekvienoje plokštės temperatūroje.
Jungtis yra šiluminis greitkelis, leidžiantis šilumai greičiau išeiti, todėl silikonas tarnauja vėsiau. Tačiau net ir esant puikiam sukibimui, vatų tankis turi būti sumažintas, nes plokštumos nustatyta vertė didėja, nes mažėja turimos temperatūros aukštis (200 laipsnių – T_platen).
Vienodos plokštelės temperatūros ir vatų tankio pasiskirstymo svarba
Nustatant silikoninio šildytuvo dydį aliuminio plokštėms, vatų tankis turi būti kiek įmanoma vienodesnis visoje šildytuvo srityje. Karštos dėmės gali atsirasti dėl:
Nevienodas kontaktinis slėgis (mažiau svarbu sujungtiems šildytuvams).
Šildymo elementų atstumo skirtumai (pvz., tankesni laidų raštai kraštuose, siekiant kompensuoti didesnius šilumos nuostolius).
Vietinis aušinimas iš tvirtinimo kronšteinų arba oro skersvėjų.
Baigtinių elementų analizė (FEA) dažnai naudojama kuriant šildytuvo modelį taip, kad vatų tankis būtų šiek tiek didesnis prie kraštų ir mažesnis centre, kad būtų pasiekta vienoda plokštės temperatūra. Sujungtus šildytuvus intymus kontaktas leidžia tiksliau valdyti, nes nėra oro tarpų, dėl kurių susidarytų vietinės karštos zonos.
Dizaino patikrinimas naudojant įterptąsias termoporas
Kadangi vidinės vielos temperatūros negalima tiesiogiai išmatuoti gatavame silikoniniame šildytuve, patvirtinimas atliekamas naudojant vieną ar daugiau termoporų, įterptų į sujungimo liniją arba ant plokštelės paviršiaus. Įprasta praktika yra tokia:
Ant aliuminio plokštės sumontuokite ploną surištą šildytuvą.
Išgręžkite mažas skylutes nuo plokštelės galo iki 0,5 mm nuo priekinio paviršiaus ir įstatykite plonos vielos termoporas.
Arba termoporas uždėkite ant plokštelės paviršiaus po šildytuvu, naudodami šilumai laidžius klijus.
Įjunkite šildytuvą norimu vatų tankiu ir išmatuokite pastovios būsenos temperatūros skirtumą tarp plokštelės paviršiaus ir šildytuvo galinės pusės.
Apskaičiuokite apytikslę vidinę laido temperatūrą naudodami žinomą silikono šiluminę varžą.
Jei apskaičiuota laido temperatūra artėja prie 200 laipsnių, reikia sumažinti vatų tankį arba nurodyti didesnį šildytuvą (mažesnį vatų tankį).
Ypatingas dėmesys: aukštos temperatūros silikono klasės
Standartinės silikoninės gumos (pvz., vinilmetilsilikono) nuolatinė eksploatavimo temperatūra yra maždaug 200 laipsnių. Tais atvejais, kai plokštelės nustatyta vertė viršija 180 laipsnių arba kai reikalingas didelis vatų tankis,aukštos temperatūros silikonas(pvz., fenilmetilsilikonas arba fluorsilikonas). Šie laipsniai vertinami iki 250 laipsnių nuolatinio, su trumpomis ekskursijomis iki 300 laipsnių. Šilumos laidumas yra panašus į standartinį silikoną, todėl taikomi tie patys ΔT_silicone skaičiavimai, tačiau didžiausias leistinas T_wire yra didesnis. Tai leidžia sujungti šildytuvą su aukštos temperatūros silikonu pasiekti 1,5–2,0 W/cm² vatų tankį net esant 150 laipsnių plokštei.
Tačiau aukštos temperatūros silikonas yra brangesnis ir gali turėti skirtingus klijavimo reikalavimus. Klijavimo arba vulkanizavimo procesas turi būti suderinamas su aukštesnės temperatūros polimeru.
Atrankos žingsnių santrauka
| Žingsnis | Veiksmas |
|---|---|
| 1 | Nustatykite reikiamą plokštelės darbinę temperatūrą (T_platen) ir norimą įkaitinimo laiką. |
| 2 | Apskaičiuokite reikiamą šildytuvo galią pagal plokštelės masę, šiluminius nuostolius ir įkaitimo laiką. |
| 3 | Apskaičiuokite reikiamą šildytuvo plotą, padalydami bendrą galią iš galimo vatų tankio iš rekomenduojamo sujungtų šildytuvų diapazono (žr. lentelę). |
| 4 | Patikrinkite, ar dėl gauto vatų tankio vidinio laido temperatūra neviršija silikono ribos, naudodami lygtį: T_viela=T_platen + (vatų tankis × storis / k). |
| 5 | If T_wire > 200°C (or >250 laipsnių aukštos temperatūros silikonui), padidinkite šildytuvo plotą (mažesnis vatų tankis), sumažinkite plokštelės nustatytąją vertę arba pasirinkite aukštos temperatūros silikono rūšį. |
| 6 | Norėdami patikrinti sukibimo kokybę, kreipkitės į šildytuvo gamintoją ir apsvarstykite galimybę įdėti termoporas, kad patikrintumėte dizainą. |
Išvada
Vatų tankio parinkimas sujungtam silikoniniam šildytuvui – tai pratimas išlaikyti vidinę laido temperatūrą saugioje polimero zonoje, išnaudojant puikų geros sukibimo šiluminį kelią, kad būtų galima išstumti šiek tiek daugiau galios, nei leistų laisvas spaustukas. Thevatų tankio silikoninės gumos šildytuvas aliuminio plokštelėprojektuojant turi būti atsižvelgta į plokštelės nustatytąją vertę, silikono storį ir šilumos laidumą bei sukibimo linijos varžą. Sujungta sąsaja paprastai leidžia 20–40 % didesnį vatų tankį nei suspaustas šildytuvas esant tokiai pačiai plokštelės temperatūrai, tačiau pagrindinė riba -200 laipsnių standartiniam silikonui išlieka absoliuti. Ryšys yra šildytuvo gyvybės šaltinis, o geras sujungimas leidžia jam veikti šiek tiek karštiau ir niekada nekils pavojaus. Tinkamas pasirinkimas, padedamas skaičiavimų ir termoporos patvirtinimo, užtikrina ilgą ir patikimą tarnavimo laiką.
