Как термичното съпротивление на интерфейсен материал на базата на грес-се променя с времето и температурата?

Термичната смазка между нагревателя на патрона и отвора, който се намира в пресовата плоча, е герой в първия ден. Той запълва малките въздушни пространства, образувайки перфектен мост с ниско съпротивление за топлината. Но тази грес е деликатна смес от силиконово или въглеводородно масло и керамичен прах, който провежда топлина. Това е метастабилно, постоянно твърдо вещество. През хилядите часове и постоянния топлинен цикъл на живота на плочата, маслото може бавно да се изпари, да бъде изтласкано от натиска на затягане или да се окисли и втвърди. Перфектният мост се превръща в разлагаща се, изолираща бариера.

Термична грес: очакван механизъм на стареене
Механизмът на стареене на базираните на грес материали за термичен интерфейс (TIM) е добре известен и предвидим. Повишаването на термичното съпротивление с времето и температурата се дължи на три основни процеса, изпаряване на маслото, механично изпомпване и окислително втвърдяване.

Изпаряване на маслото
Налягането на парите на базовото масло (силиконово или въглеводородно) е ограничено. При нормални работни температури на плочата от 150 до 250 градуса, маслото ще се изпари бавно. Маслената фаза се губи, оставяйки сух компресиран керамичен прах, който не може да се придържа към грапавостта на микро-мащабите на нагревателя или повърхностите на отвора. Това, което преди беше гъвкава паста, запълваща -процепи, се превръща в насипно или синтеровано прахообразно легло с лош термичен контакт. Топлинната устойчивост на контакта може да се увеличи два или три пъти по време на експлоатационния живот на плочата. Това води до по-малко ефективен пренос на топлина и по-високи работни температури за нагревателя.

Механична помпа с диференциално термично разширение-Извън
При инсталация на патронен нагревател, когато се нагреят, нагревателят и околният метален отвор се разширяват с противоположни скорости. Коефициентът на топлинно разширение на метала (стомана, алуминий и др.) е различен от този на нагревателната обвивка (обикновено неръждаема стомана или Incoloy). Относителното движение между нагревателя и отвора при всеки цикъл на-нагряване е като малко изпомпване. Постепенно греста се екструдира от интерфейса-явление, известно като изпомпване-навън. Мазнината, която се евакуира, не влиза повторно- след като системата се охлади. Първоначалният обем на грес се източва от интерфейса в продължение на хиляди топлинни цикли и отново се появяват въздушни междини.

Окислително втвърдяване
Въглеводородното или силиконовото масло ще се окисли при високи температури, когато е изложено на кислород (дори малкото количество, уловено в отвора). Окисляването променя течащото масло в лепкаво, смолисто или крехко твърдо вещество. Този втвърден остатък има много ниска топлопроводимост и не може да тече, за да запълни празнините. Това добавя още един слой изолация." Скоростта на окисляване е експоненциална функция на температурата според уравнението на Арениус. С всяко повишаване на работната температура с 10 градуса степента на влошаване може да се удвои или утрои.

Симптоми: Влошаване на производителността на нагревателната зона
Платото за разграждане на термичната устойчивост на греста TIM е под формата на бавно, често незабележимо разграждане на нагревателна зона. Този симптом не е внезапна повреда, а прогресивна загуба на капацитет за постигане на зададена температура или поддържане на еднаквост в цялата плоча. Вътрешният температурен сензор на нагревателя (термодвойка или RTD) може все още да отчита правилната температура, но температурата на повърхността на плочата е по-ниска поради влошаване на термичния мост.

Нагревателят трябва да работи при по-висока температура, за да инжектира същия топлинен поток през повредения контакт. Тази по-висока вътрешна температура насърчава стареенето на самия нагревател (окисляване на нагревателния проводник, крехкост на изолацията), което води до преждевременно изгаряне. Така разграждащото се масло се превръща в хроничен, невидим крадец на производителността на плочата и живота на нагревателя.

Количествено определяне на разграждането: колко бързо нараства топлинното съпротивление?
Нарастването на топлоустойчивостта не е линейно. Подчинява се на типична крива:

Ранен етап (0-500 часа): Без голяма промяна. Смазката е нова и маслената фаза е непокътната.

Среден живот (500–2000 часа): Начало на изпаряване и изпомпване. Термичното съпротивление започва да се увеличава, обикновено с 20-50% от първоначалната стойност.

Late life (>2000 часа): ускорен спад Гресът изсъхва напълно и остава само прах или втвърдени остатъци. Термичното съпротивление може да се увеличи със 100-200% или повече.

Точното време е силно зависимо от температурата. Силиконовата грес с прилично качество може да издържи 5000 до 10 000 часа при 150ºC. Същата грес при 250 градуса може да се повреди за по-малко от 1000 часа. Скоростта на разграждане има експоненциална зависимост от температурата, така че увеличение от 10-15 градуса намалява наполовина прогнозирания полезен живот на контакта с грес.

Практически решения: справяне с деградацията
Има две техники за справяне с разграждането на TIM-на базата на грес.

Превантивна поддръжка с повторно-смазване
Съществуващите инсталации, използващи грес като интерфейс, се нуждаят от програма за проактивна поддръжка. Планът трябва да съдържа:

Периодични одити на топлинната ефективност. При определена входна мощност измерете температурната разлика между сензора на нагревателя и повърхността на плочата. Всяко повишаване на тази делта е увеличение на устойчивостта на топлина.

• Планирана честота на повторно-смазване: Планирайте повторно-смазване или смяна на нагревателя на всеки 1-3 години в зависимост от работната температура. Отворът се почиства от старата грес и се добавя ново дозирано количество високотемпературна грес с ниско отделяне.

Първокласни греси Не всички термопасти са еднакви. Можете драстично да увеличите сервизния интервал, като посочите грес, устойчива на висока температура, например греси, произведени със синтетични масла и ниска летливост.

Постоянна алтернатива: Графитно фолио
За ситуации, в които-дългосрочната надеждност е от решаващо значение и достъпът за поддръжка е ограничен, се препоръчва интерфейс от графитно фолио. Графитното фолио е гъвкав лист, изработен от компресиран експандиран графит. Той няма маслена фаза, така че не може да се изпари или изпомпва или окислява по същия начин. Графитното фолио е в състояние да поддържа топлопроводимостта си (обикновено 5–10 W/m·K, много по-висока от греста) за неопределено време при висока температура и термичен цикъл. Единственият скромен недостатък е, че е малко по-малко подходяща от прясната грес за наистина твърди повърхности. Графитното фолио обаче е постоянен термичен мост,-не изискващ поддръжка за повечето отвори на патронните нагреватели със стандартни обработки (Ra 3,2 микрона или повече).

Заключение: Коварен, хроничен крадец на производителност
Скрит хроничен крадец на производителността на плочата е бавната прогнозирана смърт на термопаста. Това е проблем, който не идва с гръм и трясък, а по-скоро с бавно едва доловимо влошаване на ефективността и хомогенността на отоплението. Ако не се провери, разлагащата се грес кара нагревателите да работят по-горещо и да се повредят по-рано. Най-важният термичен мост в плоча често е този, който тихо се разпада, слой по слой, докато маслото се изпарява и греста изсъхва. Този режим на повреда е напълно елиминиран чрез избор на интерфейс от графитно фолио за нови инсталации. За съществуващите системи за гресиране единственият начин да се осигури постоянна, дългосрочна-термична ефективност е да се създаде проактивен график за поддръжка с периодично повторно-смазване или подмяна на нагревател. Първият етап от изграждането на изключително надеждна система с нагреваема плоча е да се разбере очакваното разграждане на грес TIM.