Kakšne so prednosti uporabe PTFE grelnika z grafen{0}}izboljšanim termičnim vmesnikom?

V PTFE potopnem grelniku je nikromova žica od tekočine izolirana s samim polimernim plaščem, ki je toplotni izolator. Toplota nima časa, da bi se enakomerno razpršila vzdolž žice, preden gre skozi steno. Težavo je mogoče ublažiti tako, da med tuljavo in ovoj-vstavite šepetajočo{2}}tanko plast grafena, materiala, ki prenaša toploto bolje kot karkoli drugega. Ta nova izboljšava zasnove, grelnik PTFE s toplotnim vmesnikom iz grafena, rešuje skrito ozko grlo konstrukcije običajnega grelnika in zagotavlja znatno povečanje zmogljivosti.

Standardni PTFE grelniki Notranje toplotno ozko grlo
V tradicionalnem PTFE grelniku je uporovna žična tuljava vdelana neposredno v PTFE ali ločena s kratko zračno režo. Zrak je slab toplotni prevodnik (približno 0,026 W/m·K) in celo mikroskopske vrzeli bodo povzročile lokalne vroče lise, ko je temperatura žice daleč nad sprejemljivim povprečjem. Ker ima sam PTFE omejeno toplotno prevodnost (približno 0,25 W/m·K), toplota ne potuje zlahka po notranji površini plašča. Posledica tega je, da je žica toplejša, kot bi morala pri določeni vatni gostoti, kar pospeši oksidacijo žice in staranje PTFE.

Kako grafen izboljša toplotni vmesnik
Med konstrukcijo grelnika je žična tuljava notranjega upora ovita s prožno visoko{0}}temperaturno silikonsko blazinico, napolnjeno z grafenskimi nanoploščicami. Med tuljavo in notranjo steno PTFE plašča je vstavljen grafensko-izboljšan toplotni vmesnik (TIM). Blazinica opravlja dve zelo pomembni stvari:

Polnjenje mikroskopskih zračnih rež. Skladen silikon se oprime površine žice, odstrani ujeti zrak in odpravi toplotni kontaktni upor.

Bočno širjenje toplote: grafen ima zelo visoko ravninsko toplotno prevodnost (do 5000 W/mK), ki lahko prenaša toploto bočno vzdolž vmesne plasti proč od najbolj vročih točk na žici.

Grafen deluje kot majhna avtocesta za širjenje toplote v jedro grelnika. Vroče točke nastanejo zaradi majhnih razlik v koraku žice ali lokalne gostote v vatih in te vroče točke se hitro razširijo po večjem območju stene plašča. To vodi do občutno bolj homogenega temperaturnega profila znotraj.

Glavne prednosti Graphene Thermal Interface
1. Nižja temperatura žice pri enaki gostoti moči
TIM zagotavlja enakomernejši prenos toplote, zato je za dano vhodno moč najvišja temperatura na nikromovi žici precej nižja. Žica v hladilniku je manj izpostavljena oksidaciji in toplotnemu kroženju. To neposredno podaljša življenjsko dobo grelnika - pogosto za faktor 1,5 do 2-krat v primerjavi s tradicionalnimi zasnovami z-zračno režo.

2. Manjši odtis, večja dovoljena vatna gostota
Grelec deluje pri višji gostoti v vatih, vendar je mogoče ohraniti isto najvišjo temperaturo žice zaradi enakomernejše porazdelitve notranje temperature. Za zahtevne aplikacije, kot so visoko{1}}pretočne korozivne tekočinske linije ali kompaktne instalacije rezervoarjev, je mogoče PTFE grelnik z grafenskim termičnim vmesnikom zagotoviti s 15–25 % višjo gostoto v vatih, ne da bi presegli mejo površinske temperature 110 stopinj PTFE plašča. To omogoča fizično manjšemu grelniku, da ponudi enako toplotno moč in sprosti kritično procesno območje.

3. Zmanjšano tveganje za lokalizirano degradacijo PTFE
Pri tradicionalnih grelnikih lahko vroče točke na tuljavi dvignejo temperaturo stene okoliškega PTFE nad 110 stopinj v kratkem času, tudi če je površina ovoja v razsutem stanju hladnejša. To sčasoma povzroči lokalno mehkobo, lezenje ali propad dielektrika. Grafen TIM razširja toploto bočno, preden pride do PTFE, in tako odpravi te ekstremne mikro-vroče točke. Polimer je podvržen bolj enakomerni toplotni obremenitvi, kar omogoča, da se njegove mehanske in električne lastnosti ohranijo dlje časa.

Inženirski izzivi in ​​rešitve
Glavna težava pri izdelavi TIM-izboljšanega z grafenom za PTFE grelnike je, da mora biti material sposoben prenesti tako visoke notranje delovne temperature (približuje se 200–250 stopinjam na površini žice) kot postopek sintranja PTFE, ki je lahko do 360–380 stopinj. Silikonsko matriko je treba zamenjati z visoko{6}}temperaturno stabilnim vezivom, kot je kompozit na osnovi fluoropolimera ali poliimida, ki se med sintranjem ne bo pokvaril.

TIM mora biti tudi električno izoliran, da se prepreči kratek stik med sosednjimi zavoji uporovne žice ali med uporovno žico in ozemljenim plaščem. Grafen prevaja elektriko, a če ga razpršite v nizkih koncentracijah (običajno 5 do 10 utežnih odstotkov) v izolacijski polimerni matriki, ne dosežete perkolacijskega praga za električno prevodnost. Nastali kompozit z visoko toplotno prevodnostjo ohranja dielektrično trdnost nad 5 kV/mm.

Prijave za prihodnost.
Zgodnje sprejemanje grafen{0}}izboljšanih vmesnikov se dogaja v panogah, kjer se srečujejo čas delovanja, kompaktnost in neugodni kemični pogoji:

Kadi za mokro obdelavo polprevodnikov z natančnim nadzorom temperature in malo prostora na tleh.

Farmacevtski reaktorji visoke čistosti, kjer je zamenjava ogrevanja draga in dolgotrajna.

Cikli hitrega-segrevanja so potrebni za linije za galvanizacijo z visoko gostoto v vatih.

Ko proizvodni postopki za TIM-napolnjene z grafenom dozorevajo, se predvideva, da se bodo stroški znižali, zaradi česar bo ta tehnologija na voljo širšemu naboru aplikacij za industrijsko ogrevanje.

Zaključek
Vmesnik, ojačan z grafenom, lahko reši problem notranjega prenosa toplote-neenakomerno razpršitev toplote iz uporovne žice-zaradi česar je PTFE grelnik močnejši, hitrejši in vzdržljivejši od znotraj navzven. Grelnik PTFE s toplotnim vmesnikom iz grafena zagotavlja delovanje hladnejše žice, boljšo dovoljeno gostoto vatov pri manjšem odtisu in manjše lokalno poslabšanje PTFE. Znotraj ovoja se gradi prihodnost ogrevalne tehnologije na nanometru, kjer šepeta-tanek premaz čudovitega materiala tiho spreminja sicer zrelo kategorijo izdelkov.