PTFE sukelsoojendi sees on hõõguv nikroomi takistustraat protsessivedelikust eraldatud termiliselt isoleeriva fluoropolümeerseinaga. Veel üks, vähem nähtav termiline pudelikael eksisteerib sügavamal koostu sees: mikroskoopiline õhupilu küttejuhtme ja PTFE-kesta sisepinna vahel. Isegi äärmiselt väikesed tühimikud, mis on täidetud seisva õhuga, tekitavad soojusvoolule üllatavalt tugeva takistuse.
Selle varjatud ebaefektiivsusega tegelemiseks kasutatakse uue põlvkonna sisemisi termilise liidese materjale (TIM). Küttekeha valmistamise ajal kantakse nikroommähise ja PTFE ümbrise vahele painduvaid, kõrge juhtivusega keraamilisi{1}}materjale, mis asendavad isoleerivad õhutaskud pideva soojusteega. Tulemuseks on parem sisemine soojusülekanne, madalamad traadi töötemperatuurid ja potentsiaalselt suurem küttekeha võimsustihedus.
Tekkiv rolltäiustatud TIM nikroomtraadist PTFE ümbriskontseptsioon tõmbab tähelepanu, kuna tootjad otsivad kompaktsemaid, tõhusamaid ja vastupidavamaid keemilisi sukelsoojendeid ilma korrosioonikindlust ohverdamata.
Varjatud termiline pudelikael PTFE-soojendite sees
PTFE sukelküttekehasid kasutatakse laialdaselt, kuna fluoropolümeerist ümbris tagab erakordse keemilise vastupidavuse. Kompromiss- on aga soojusjuhtivus.
PTFE edastab soojust palju vähem tõhusalt kui metallid, mis tähendab, et sisetakistustraat töötab sageli oluliselt kõrgematel temperatuuridel kui väliskesta pind. Igasugune täiendav soojustakistus kütteseadme sees suurendab seda temperatuuride erinevust veelgi.
Tootmise käigus tekivad loomulikult mikroskoopilised õhuvahed, kuna:
Nikroomtraadi pinnad on ebakorrapärased
PTFE siseseinad ei ole täiesti siledad
Soojuspaisumine tekitab pisikesi tühimikke
Pooli mähise geomeetria jätab katkendlikud kontaktpunktid
Õhk on äärmiselt halb soojusjuht. Isegi õhuke katkendlik kiht võib oluliselt piirata soojusülekannet traadist ümbrise seinale.
Selle tulemusena tõuseb traadi temperatuur ebaproportsionaalselt, kiirendades oksüdeerumist, rabedust ja termilist väsimist.
Kuidas täiustatud TIM-id soojusülekannet parandavad
Täiustatud termilise liidese materjalid on loodud nende sisemiste tühimike kõrvaldamiseks.
Enne PTFE ümbrisesse sisestamist kantakse nikroommähise ümber kõrge-temperatuuriline, elektrit isoleeriv ja soojust juhtiv materjal. Pärast kokkupanemist täidab TIM mikroskoopilised tühimikud ja loob pideva juhtiva silla traadi ja ümbritseva konstruktsiooni vahele.
Keraamilise -täidisega pasta määrdumine ümbrise sees muutub soojussillaks, mis kannab soojuse hõõguvalt traadilt eemale, enne kui see koguneb ja kahjustab.
Kontseptsioon sarnaneb TIM-tehnoloogiaga, mida kasutatakse:
Jõuelektroonika
CPU jahutussüsteemid
Elektrisõidukite akumoodulid
Pooljuhtpakend
PTFE-soojendite puhul peab materjal aga pikema tööperioodi jooksul taluma palju karmimaid termilisi ja keemilisi tingimusi.
Kütteseadmetes kasutatavad tavalised TIM-materjalid
Sisemise küttekeha soojusjuhtimise jaoks uuritakse mitmeid täiustatud materjalisüsteeme.
Boornitriid{0}}täidisega silikoonühendid
Boornitriid on üks paljutõotavamaid täitematerjale, kuna see ühendab:
Kõrge soojusjuhtivus
Elektriisolatsioon
Keemiline stabiilsus
Kõrge{0}}temperatuuri võime
Boornitriidi osakestega täidetud elastsed silikoon{0}}põhised sideained võivad kohanduda täpselt ebakorrapäraste pooli pindadega, säilitades samal ajal paisumis- ja kokkutõmbumistsüklite ajal termilise kontakti.
Kuna boornitriid jääb elektriliselt mitte{0}}juhtivaks, säilib traadi ja ümbrise vaheline dielektriline isolatsioon.
Grafiitfooliumpakendid
Grafiidil{0}}põhinevaid termomähiseid hinnatakse ka teatud kütteseadmete arhitektuuride jaoks.
Need õhukesed juhtivad kihid võivad parandada soojuse levikut mähise ümber ja vähendada lokaalseid kuumi kohti. Grafiitmaterjalid nõuavad aga hoolikat elektriisolatsioonistrateegiat, kuna grafiit ise on elektrit juhtiv.
Keraamilised{0}}täidisega polümeerkiled
Paindlikud keraamilised{0}}polümeerteibid pakuvad teist lähenemisviisi. Need konstrueeritud kiled on mähitud ümber kütteelemendi, et luua ühtlane termiline liideskiht, millel on kontrollitud paksus ja korduv jõudlus.
Sisetemperatuuri languse vähendamine
Peamine inseneri eesmärktäiustatud TIM nikroomtraadist PTFE ümbrisSee lähenemisviis on sisetemperatuuri languse vähendamine.
Ilma TIM-kihita peab soojus ületama mitmeid termiliselt ebaefektiivseid piire:
Nikroomtraadi pind
Õhutühjad
PTFE sisesein
PTFE puistepaksus
Töötlemisvedelik
Asendades isoleerivad õhuvahed juhtiva materjaliga, väheneb soojustakistus oluliselt.
Tulemuseks on parem termiline side kütteelemendi ja ümbrise seina vahel.
Jahuti juhtme kasutamine
Teatud vattiheduse korral võimaldab täiustatud soojusülekanne nikroomtraadil töötada madalamal sisetemperatuuril.
See jahuti töötingimus võib vähendada:
Oksüdatsioonimäärad
Termiline roome
Vastupanu triiv
Mehaaniline väsimus
Elementide enneaegne läbipõlemine
Traadi eluea pikendamine muutub eriti väärtuslikuks keemiliselt agressiivsete protsesside puhul, kus küttekeha asendamine on kulukas või tegevust häiriv.
Kõrgem ohutu vattide tihedus
Alternatiivne eelis hõlmab küttekeha kompaktset disaini.
Kui traadi sisetemperatuuri saab tõhusamalt reguleerida, võib kütteseade ohutult töötada suurema vattihedusega ilma materjali temperatuuripiiranguid ületamata.
See loob võimalused:
Kerise väiksema geomeetriaga
Kiirem{0}}soojenemine
Suurem protsessi läbilaskevõime
Suurenenud võimsuse kontsentratsioon
Tootjad kirjeldavad seda lähenemist mõnikord pigem sisemise termilise optimeerimise strateegiana kui välise kütteseadme struktuuri ümberkujundamisena.
Materjali stabiilsuse nõuded
PTFE-küttekeha sees oleva TIM-i jõudlus sõltub suuresti pikaajalisest -termilisest stabiilsusest.
Liidese materjal peab jääma:
Paindlik korduval rattasõidul
Keemiliselt stabiilne
Elektriliselt isoleeriv
Mehaaniliselt ühendatud
Töötemperatuuril ei-eraldu gaasi
Gaaside eemaldamine on eriti oluline{0}}kõrge puhtusastmega keemiliste rakenduste puhul. Ebastabiilsetest liidese materjalidest eralduvad lenduvad ühendid võivad saastada tundlikke protsessivanne või tekitada aja jooksul kütteseadmesse tühimikke.
Seetõttu sobivad pikaajaliseks-sukelküttekeha kasutamiseks ainult hoolikalt valmistatud kõrgel{0}}temperatuuril töötavad koostised.
PTFE keemilise barjääri säilitamine
Üks täiustatud TIM-i integreerimise kõige atraktiivsemaid aspekte on see, et välise küttekeha keemia jääb muutumatuks.
PTFE ümbris pakub jätkuvalt sama:
Korrosioonikindlus
Keemiline inertsus
Mittekleepuva{0}}pinna omadused
Elektriisolatsioon
Protsessi ühilduvus
Jõudlus paraneb sisemiselt, muutmata protsessivedelikuga kokkupuutuva keemiliselt vastupidavat välispinda.
See muudab tehnoloogia suhteliselt kulutõhusaks{0}}, võrreldes täielike ümberkujundustega, mis hõlmavad eksootilisi kattematerjale või keerukamat küttekeha geomeetriat.
Võimalikud tulevikuarendused
Käimasolevad uuringud soojusliidese projekteerimise alal võivad PTFE-küttekeha jõudlust veelgi parandada.
Aktiivsete huvide hulka kuuluvad:
Nano-keraamilised TIM koostised
Faas{0}}muuda termilisi ühendeid
Iseparanevad{0}}liidesekihid
Lisandina valmistatud juhtivad struktuurid
Hübriidkeraamilised{0}}polümeermaatriksid
Kuna pooljuhtide, keemilise töötlemise ja ülipuhaste tootmissüsteemide võimsustiheduse nõuded kasvavad jätkuvalt, muutub sisemine termiline optimeerimine eeldatavasti olulisemaks.
Järeldus
Täiustatud sisemised termilise liidese materjalid kujutavad endast peent, kuid potentsiaalselt olulist edasiarendust PTFE sukelkütteseadme tehnoloogias. Täides mikroskoopilised õhuvahed nikroomtraadi ja ümbrise seina vahel juhtivate, elektrit isoleerivate materjalidega, vähendavad need TIM-kihid sisemist soojustakistust ja parandavad soojusülekande efektiivsust.
Sellest tulenev traadi töötemperatuuri langus võib pikendada küttekeha eluiga, samas kui täiustatud termiline side võib toetada ka suuremat ohutut vattihedust ja kompaktsemat küttekeha. Boornitriidi-täidisega ühendid, grafiidi-põhised materjalid ja keraamilised-polümeerkiled aitavad kaasa sellele arenevale soojusjuhtimise lähenemisviisile.
Täiendus toimib pigem sisemise uuendusena kui nähtava ümberkujundusena, parandades küttekeha jõudlust, jahutades selle südamikku. Järgmine oluline PTFE-küttekeha efektiivsuse ja vastupidavuse suurenemine võib seetõttu tekkida mitte väliskestast, vaid selle sügavale peidetud nähtamatust termokihist.
