Een verwarmingselement van siliconenrubber dat is gevulkaniseerd of met lijm is verbonden met een platte aluminium plaat, heeft een veel intiemer thermisch contact dan een verwarmingselement dat eenvoudigweg is vastgeklemd. Deze strakke verbinding trekt de warmte efficiënter weg van de siliconen, waardoor een iets agressievere vermogensdichtheid mogelijk is. Maar de hitte is nog steeds afkomstig van een kwetsbaar polymeer, en zijn eigen interne temperatuurlimiet mag nooit worden overschreden. Het juiste selecterenWatt dichtheid siliconenrubber verwarming aluminium plaatassemblages vereisen een duidelijk begrip van het thermische pad, de voordelen van de verbinding en de fundamentele beperkingen van het siliconenmateriaal zelf.
Wattdichtheid en de implicaties ervan begrijpen
Wattdichtheid (gemeten in W/cm² of W/in²) is de hoeveelheid thermisch vermogen die wordt gegenereerd per oppervlakte-eenheid van het verwarmingsoppervlak. Voor een bepaald totaal wattage werkt een kleinere verwarming met een hogere wattdichtheid, terwijl een grotere, verspreide verwarming met een lagere wattdichtheid werkt. De wattdichtheid bepaalt direct de interne temperatuur van de weerstandsdraad en het aangrenzende siliconenrubber.
Als de wattdichtheid te hoog is, overschrijdt de siliconen die aan de draad grenzen de continue gebruikstemperatuur, wat leidt tot:
Versnelde thermische veroudering– Het polymeer wordt bros en verliest elasticiteit.
Verminderde diëlektrische sterkte– Risico op elektrische storing.
Het mislukken van de binding– De lijm- of gevulkaniseerde verbinding met het aluminium kan verslechteren.
Roken of branden– Bij extreme overbelasting kunnen siliconen ontleden.
Daarom moet de keuze van de wattdichtheid altijd het heetste punt binnen de siliconen onder de veilige werkingslimiet van het materiaal houden.
De Bonded Interface: een thermische snelweg
Een siliconenrubberverwarmer kan op verschillende manieren aan een aluminium plaat worden bevestigd. De twee meest voorkomende methoden zijn:
Geklemd (of drukcontact)– De verwarmer wordt tegen de plaat gedrukt met behulp van klemmen, veren of een mechanisch frame. Er kan een thermisch vet of een dun kussentje worden gebruikt om luchtspleten op te vullen.
Gebonden– De verwarmer wordt tijdens de productie rechtstreeks op het aluminium gevulkaniseerd, of er wordt een hogetemperatuurlijm (bijvoorbeeld op siliconenbasis of epoxy) gebruikt om de verwarmer permanent te bevestigen.
De gebonden interface heeft een aanzienlijk lagere thermische weerstand dan een geklemde interface omdat:
Geen luchtspleten– Microscopische luchtzakken (die als isolatoren werken) zijn geëlimineerd.
Continu materiaalpad– Warmte stroomt zonder onderbrekingen van de buitenlaag van de verwarming naar de lijm en vervolgens naar het aluminium.
Lagere contactweerstand – 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.
Deze lagere thermische weerstand betekent dat bij dezelfde wattdichtheid de temperatuur van de siliconen aan de draad lager is wanneer deze is verbonden. Omgekeerd kan voor dezelfde maximaal toegestane draadtemperatuur een bonded heater worden gebruikt bij aiets hogere wattdichtheiddan een geklemde verwarming.
Berekening van de interne temperatuur van de siliconen
De temperatuur van de siliconen grenzend aan de weerstandsdraad (T_wire) wordt bepaald door:
T_wire=T_platen + ΔT_siliconen + ΔT_bond
Waar:
T_platen– De gemeten of gecontroleerde temperatuur van het aluminium plaatoppervlak (bijvoorbeeld 150 graden).
ΔT_siliconen– De temperatuurstijging door de dikte van de siliconenrubberlaag tussen de draad en het buitenoppervlak van de verwarmer. Dit wordt berekend als:
ΔT_siliconen=(wattdichtheid x dikte) / k_siliconen
waarbij k_siliconen ≈ 0,2–0,25 W/m·K, dikte typisch 1–2 mm.
ΔT_binding– De temperatuurdaling over de lijm- of lijmlijn. Voor een hoogwaardige verbinding is dit klein (enkele graden).
Voorbeeld voor een bonded heater:
Wattdichtheid=1.2 W/cm²=12.000 W/m²
Dikte siliconen=1.5 mm=0.0015 m
k_siliconen=0.22 W/m·K
ΔT_siliconen=(12.000 × 0,0015) / 0,22 ≈ 82 K
ΔT_binding ≈ 5 K
T_platen=150 graad
T_wire=150 + 82 + 5=237 graad
Als de continue classificatie van de siliconen 200 graden is, zou een wattdichtheid van 1,2 W/cm² buitensporig zijn voor deze plaattemperatuur. De wattdichtheid moet worden verlaagd, of het instelpunt van de plaat moet worden verlaagd, of er moet een dikkere of meer geleidende siliconen worden gebruikt.
Aanbevolen wattdichtheidsbereiken voor gelijmde siliconenverwarmers op aluminium
De veilige wattdichtheid is afhankelijk van verschillende factoren: de bedrijfstemperatuur van de plaat, de dikte en kwaliteit van de siliconen, de kwaliteit van de verbinding en of de verwarmer in werking is of continu draait. De volgende tabel geeft algemene richtlijnen voor continu gebruik:
| Insteltemperatuur van de glasplaat | Maximaal aanbevolen wattdichtheid (verlijmd) | Maximaal aanbevolen wattdichtheid (geklemd, met vet) |
|---|---|---|
| 50 graden | 2,0–2,5 W/cm² | 1,5–2,0 W/cm² |
| 100 graden | 1,3–1,8 W/cm² | 0,9–1,3 W/cm² |
| 150 graden | 0,8–1,2 W/cm² | 0,5–0,8 W/cm² |
| 200 graden | 0,3–0,6 W/cm² | Niet aanbevolen (geklemde verwarmingselementen zijn doorgaans beperkt tot een plaat van 150 graden) |
Bij deze waarden wordt uitgegaan van standaard siliconenrubber met een continue limiet van 200 graden en een verbindingslijn met lage thermische weerstand. Voor speciaal samengestelde siliconen voor hoge temperaturen (gespecificeerd tot 250 graden), kan de wattdichtheid met ongeveer 20-30% worden verhoogd bij elke plaattemperatuur.
De verbinding is een thermische snelweg die de warmte sneller laat ontsnappen, waardoor de siliconen een koeler leven krijgen. Maar zelfs met een uitstekende hechting moet de wattdichtheid worden verlaagd naarmate het instelpunt van de plaat toeneemt, omdat de beschikbare temperatuurruimte (200 graden – T_platen) kleiner wordt.
Belang van een uniforme plaattemperatuur en verdeling van de wattdichtheid
Bij het dimensioneren van een siliconenverwarmer voor een aluminium plaat moet de wattdichtheid zo uniform mogelijk zijn over het verwarmingsgebied. Hotspots kunnen optreden als gevolg van:
Niet-uniforme contactdruk (minder relevant voor bonded heaters).
Variaties in de afstand tussen de verwarmingselementen (bijv. dichtere draadpatronen aan de randen om het hogere warmteverlies te compenseren).
Lokale koeling door montagebeugels of luchtstromen.
Eindige elementenanalyse (FEA) wordt vaak gebruikt om het verwarmingspatroon zo te ontwerpen dat de wattdichtheid iets hoger is nabij de randen en lager in het midden, waardoor een uniforme plaattemperatuur wordt bereikt. Bij verbonden verwarmingstoestellen maakt het intieme contact een nauwkeurigere controle mogelijk, omdat er geen luchtspleten zijn die plaatselijke hete zones kunnen veroorzaken.
Het ontwerp verifiëren met ingebedde thermokoppels
Omdat de interne draadtemperatuur niet direct kan worden gemeten in een afgewerkte siliconenverwarmer, wordt de validatie uitgevoerd met behulp van een of meer thermokoppels ingebed in de verbindingslijn of op het plaatoppervlak. Een veel voorkomende praktijk is:
Installeer een dunne, gebonden verwarming op de aluminium plaat.
Boor kleine gaatjes vanaf de achterkant van de plaat tot op 0,5 mm van de voorkant, en plaats fijndradige thermokoppels.
Als alternatief kunt u thermokoppels op het degeloppervlak onder de verwarming plaatsen met behulp van thermisch geleidende lijm.
Laat de verwarmer werken met de gewenste wattdichtheid en meet het stabiele temperatuurverschil tussen het plaatoppervlak en de achterkant van de verwarmer.
Bereken bij benadering de interne draadtemperatuur met behulp van de bekende thermische weerstand van de siliconen.
Als de berekende draadtemperatuur de 200 graden benadert, moet de wattdichtheid worden verlaagd of moet een grotere verwarmer (lagere wattdichtheid) worden gespecificeerd.
Speciale overweging: siliconenkwaliteiten voor hoge temperaturen
Standaard siliconenrubber (bijvoorbeeld vinyl-methyl-siliconen) heeft een continue gebruikstemperatuur van ongeveer 200 graden. Voor toepassingen waarbij het instelpunt van de plaat hoger is dan 180 graden of waar hoge wattdichtheden vereist zijn,siliconen voor hoge temperaturen(bijv. fenylmethylsiliconen of fluorsiliconen) kunnen worden gebruikt. Deze cijfers zijn beoordeeld tot 250 graden continu, met korte excursies tot 300 graden. De thermische geleidbaarheid is vergelijkbaar met die van standaard siliconen, dus dezelfde ΔT_silicone-berekeningen zijn van toepassing, maar de maximaal toegestane T_wire is hoger. Hierdoor kan een gelijmde verwarmer met siliconen voor hoge temperaturen een wattdichtheid van 1,5–2,0 W/cm² bereiken, zelfs bij plaattemperaturen van 150 graden.
Siliconen voor hoge temperaturen zijn echter duurder en kunnen andere hechtingsvereisten hebben. Het lijm- of vulkanisatieproces moet compatibel zijn met het polymeer met een hogere temperatuur.
Samenvatting van selectiestappen
| Stap | Actie |
|---|---|
| 1 | Bepaal de vereiste bedrijfstemperatuur van de degel (T_platen) en de gewenste opwarmtijd. |
| 2 | Schat het vereiste verwarmingsvermogen op basis van de plaatmassa, thermische verliezen en opwarmtijd. |
| 3 | Bereken het vereiste verwarmingsoppervlak door het totale wattage te delen door een kandidaat-wattdichtheid uit het aanbevolen bereik voor bonded heaters (zie tabel). |
| 4 | Controleer of de resulterende wattdichtheid er niet voor zorgt dat de interne draadtemperatuur de siliconenlimiet overschrijdt met behulp van de vergelijking: T_wire=T_platen + (wattdichtheid x dikte / k). |
| 5 | If T_wire > 200°C (or >250 graden voor siliconen met hoge temperatuur), vergroot het verwarmingsoppervlak (lagere wattdichtheid), verlaag het instelpunt van de plaat, of selecteer een siliconenkwaliteit voor hoge temperaturen. |
| 6 | Raadpleeg de fabrikant van de verwarmer voor validatie van de verbindingskwaliteit en overweeg het inbedden van thermokoppels voor ontwerpverificatie. |
Conclusie
Het selecteren van de wattdichtheid voor een gebonden siliconenverwarmer is een oefening in het houden van de interne draadtemperatuur binnen de veilige zone van het polymeer, waarbij gebruik wordt gemaakt van het superieure thermische pad van een goede verbinding om iets meer kracht te genereren dan een losse klem zou toestaan. DeWatt dichtheid siliconenrubber verwarming aluminium plaatHet ontwerp moet rekening houden met het instelpunt van de plaat, de siliconendikte en thermische geleidbaarheid, en de weerstand van de verbindingslijn. Een gebonden interface maakt doorgaans een 20-40% hogere wattdichtheid mogelijk dan een geklemde verwarmer bij dezelfde plaattemperatuur, maar de fundamentele limiet-200 graden voor standaard siliconen blijft absoluut. De verbinding is de levensader van de verwarming, en een goede verbinding zorgt ervoor dat deze een beetje heter wordt zonder ooit in gevaar te komen. Een juiste selectie, geholpen door berekening en thermokoppelvalidatie, zorgt voor een lange, betrouwbare levensduur.
