Miten rasva{0}}pohjaisen liitäntämateriaalin lämmönkestävyys muuttuu ajan ja lämpötilan mukaan?

Lämpörasva patruunan lämmittimen ja sen puristuslevyssä olevan reiän välillä on sankari ensimmäisenä päivänä. Se täyttää pienet ilmatilat ja muodostaa täydellisen matalavastuksen sillan lämmölle. Mutta tämä rasva on herkkä sekoitus silikonia tai hiilivetyöljyä ja keraamista jauhetta, joka johtaa lämpöä. Se on metastabiili, pysyvä kiinteä aine. Tuhansien tuntien ja levyn käyttöiän jatkuvan lämpökierron aikana öljy voi hitaasti haihtua, puristuspaineen pakottaa ulos tai hapettua ja kovettua. Täydellinen silta muuttuu rappeutuvaksi, eristäväksi esteeksi.

Lämpörasva: odotettavissa oleva ikääntymismekanismi
Rasvapohjaisten lämpörajapintamateriaalien (TIM) ikääntymismekanismi on hyvin tunnettu ja ennustettavissa. Lämmönvastuksen nousu ajan ja lämpötilan myötä johtuu kolmesta pääprosessista, öljyn haihtumisesta, mekaanisesta pumpusta-ja oksidatiivisesta kovettumisesta.

Öljyn haihtuminen
Perusöljyn (silikoni tai hiilivety) höyrynpaine on rajoitettu. Normaalissa 150-250 asteen käyttölämpötilassa öljy haihtuu hitaasti. Öljyfaasi häviää, jolloin jäljelle jää kuiva puristettu keraaminen jauhe, joka ei pysty tarttumaan lämmittimen tai porauspintojen mikro-karheuksiin. Aiemmin joustava, aukkoja{6}}täyttävä tahna muuttuu löysäksi tai sintratuksi jauheeksi, jolla on huono lämpökosketus. Koskettimen lämmönkestävyys voi kasvaa kaksin- tai kolminkertaiseksi levyn käyttöiän aikana. Tämä johtaa heikompaan lämmönsiirtoon ja lämmittimen korkeampiin käyttölämpötiloihin.

Differentiaalinen lämpölaajenemismekaaninen pumppu-ulos
Patruunalämmittimen asennuksessa lämmitin ja sitä ympäröivä metallireikä laajenevat vastakkaisella nopeudella kuumennettaessa. Metallin (teräs, alumiini jne.) lämpölaajenemiskerroin on erilainen kuin lämmittimen vaipan (yleensä ruostumaton teräs tai Incoloy). Suhteellinen liike lämmittimen ja porauksen välillä kussakin kuumennusjaksossa{3}}on kuin pieni pumppaus. Rasvaa pursotetaan vähitellen rajapinnasta -ilmiö tunnetaan nimellä pump-out. Tyhjennetty rasva ei pääse- takaisin sisään järjestelmän jäähtymisen jälkeen. Alkuperäinen rasvamäärä tyhjenee rajapinnasta tuhansien lämpöjaksojen aikana, ja ilmavälit{10}}ilmaantuvat uudelleen.

Hapettumiskovettuminen
Hiilivety- tai silikoniöljy hapettuu korkeissa lämpötiloissa joutuessaan alttiiksi hapelle (jopa pieni määrä, joka jää loukkuun poraukseen). Hapetus muuttaa virtaavan öljyn tahmeaksi, kumimaiseksi tai hauraaksi kiinteäksi aineeksi. Tällä kovettuneella jäännöksellä on erittäin alhainen lämmönjohtavuus, eikä se voi virrata täyttämään tyhjiä tiloja. Tämä lisää toisen eristekerroksen." Hapettumisnopeus on Arrhenius-yhtälön mukaan lämpötilan eksponentiaalinen funktio. Jokaisen 10 asteen nousun käyttölämpötilassa heikkenemisnopeus voi kaksin- tai kolminkertaistua.

Oireet: Lämmitysalueen suorituskyvyn heikkeneminen
Rasvan TIM lämpövastuksen heikkenemislevy tapahtuu hitaasti, usein huomaamattomasti lämmitysvyöhykkeessä. Tämä oire ei ole äkillinen vika, vaan asteittainen kapasiteetin menetys saavuttaa asetuslämpötila tai säilyttää tasaisuus koko levyssä. Lämmittimen sisäinen lämpötila-anturi (lämpöpari tai RTD) saattaa silti lukea oikeaa lämpötilaa, mutta levypinnan lämpötila on jäljessä lämpösillan huonontumisen vuoksi.

Lämmittimen on toimittava korkeammassa lämpötilassa, jotta se ruiskuttaa saman lämpövuon vaurioituneen koskettimen läpi. Tämä korkeampi sisälämpötila edistää itse lämmittimen ikääntymistä (lämmityslangan hapettumista, eristeen haurastumista), mikä johtaa ennenaikaiseen palamiseen. Siten hajoavasta öljystä tulee krooninen, näkymätön levyn suorituskyvyn ja lämmittimen käyttöiän ryöstäjä.

Hajoamisen kvantifiointi: kuinka nopeasti lämpövastus kasvaa?
Lämmönkestävyyden kasvu ei ole lineaarista. Se noudattaa tyypillistä käyrää:

Varhainen vaihe (0-500 tuntia): Ei paljon muutosta. Rasva on uusi ja öljyfaasi ehjä.

Keski-ikä (500–2000 tuntia): Haihdutus ja pumpun käynnistys. Lämpövastus alkaa kasvaa, yleensä 20-50 % alkuperäisestä arvosta.

Late life (>2000 tuntia): nopeutunut haihtuminen Rasva kuivuu kokonaan ja jäljelle jää vain jauhetta tai kovettunutta jäännöstä. Lämpövastus voi kasvaa 100-200 % tai enemmän.

Tarkka ajoitus riippuu suuresti lämpötilasta. Laadukas silikonirasva kestää 5000–10 000 tuntia 150 ºC:ssa. Sama rasva 250 asteessa voi pettää alle 1000 tunnissa. Hajoamisnopeus on eksponentiaalinen riippuvuus lämpötilasta, joten 10–15 asteen nousu puolittaa rasvakoskettimen arvioidun käyttöiän.

Käytännön ratkaisuja: selviytyä degradaatiosta
On olemassa kaksi tekniikkaa rasva{0}}pohjaisten TIM:ien hajoamiseen.

Ennaltaehkäisevä huolto uudelleen{0}}rasvauksella
Nykyiset asennukset, joissa käyttöliittymänä käytetään rasvaa, tarvitsevat ennakoivan huolto-ohjelman. Suunnitelman tulee sisältää:

Säännölliset lämpösuorituskyvyn tarkastukset. Mittaa määritetyllä tehonsyötöllä lämpötilaero lämmittimen anturin ja levyn pinnan välillä. Jokainen nousu tässä deltassa lisää lämmönkestävyyttä.

• Suunniteltu uudelleen-voitelutiheys: Suunnittele uudelleenrasvaus-tai lämmittimen vaihto 1–3 vuoden välein käyttölämpötilasta riippuen. Poraus puhdistetaan vanhasta rasvasta ja siihen lisätään uusi mitattu määrä korkean lämpötilan, vähän vuotavaa rasvaa.

Premium-rasvat Kaikki lämpörasvat eivät ole samanarvoisia. Voit pidentää huoltoväliä dramaattisesti valitsemalla korkean lämpötilan kestävän rasvan, esimerkiksi synteettisistä öljyistä valmistetut rasvat, joiden haihtuvuus on alhainen.

Pysyvä vaihtoehto: Grafiittifolio
Niissä tilanteissa, joissa pitkän ajan{0}}luotettavuus on ratkaisevan tärkeää ja huoltoon pääsy on rajoitettua, suositellaan grafiittikalvoliitäntää. Grafiittifolio on joustava levy, joka on valmistettu puristetusta laajennetusta grafiitista. Siinä ei ole öljyfaasia, joten se ei voi haihtua tai pumpata pois tai hapettua samalla tavalla. Grafiittikalvo pystyy säilyttämään lämmönjohtavuutensa (yleensä 5–10 W/m·K, paljon korkeampi kuin rasva) loputtomiin korkeissa lämpötiloissa ja lämpökierrossa. Ainoa vaatimaton haitta on, että se on hieman vähemmän mukautuva kuin tuore rasva todella koville pinnoille. Grafiittifolio on kuitenkin pysyvä, huoltovapaa-lämpösilta useimmille patruunan lämmittimen porauksille, joissa on vakiotyöstö (Ra 3,2 mikronia tai suurempi).

Johtopäätös: Salakavala, krooninen levyn suorituskyvyn varas
Piilotettu krooninen levyn suorituskyvyn varas on lämpörasvan hidas ennustettu kuolema. Se on ongelma, joka ei tule räjähdysmäisesti, vaan pikemminkin lämmitystehokkuuden ja homogeenisuuden hidas hienoinen heikkeneminen. Jos sitä ei valvota, hajoava rasva saa lämmittimet käymään kuumemmin ja rikkoutumaan aikaisemmin. Levin tärkein lämpösilta on usein se, joka hajoaa hiljaa kerros kerrokselta öljyn höyrystyessä ja rasvan kuivuessa. Tämä vikatila eliminoidaan kokonaan valitsemalla uusiin asennuksiin grafiittikalvoliitäntä. Olemassa oleville rasvajärjestelmille ainoa tapa varmistaa jatkuva,{5}}pitkäaikainen lämpöteho on luoda ennakoiva huoltoaikataulu, jossa määräajoin-rasvataan tai vaihdetaan lämmitin. Ensimmäinen vaihe erittäin luotettavan lämmitetyn levyjärjestelmän rakentamisessa on ymmärtää rasva-TIM:ien odotettu heikkeneminen.