Dlaczego elektrycznie izolowane radiatory są tak rzadkie? Czy to tylko koszt?

Edycja: Wydaje się, że moje początkowe pytanie (dlaczego nie ma radiatorów izolacyjnych?) Było oparte na fałszywej przesłance, a tak naprawdę istnieją radiatory izolacyjne - po prostu nie byłem w stanie ich znaleźć przy pobieżnym wyszukiwaniu. Zamiast tego zmieniam to, żeby zapytać o ich rzadkość.

Radiatory wydają się być prawie powszechnie wykonane z aluminium, miedzi lub jakiejś ich kombinacji. To ma sens; aluminium i miedź są łatwe w obróbce i mają wysoką przewodność cieplną. Ale diament ma jedną z najwyższych przewodności cieplnej spośród wszystkich znanych substancji - oczywiście jest oczywiste, że diament tego rodzaju odpowiedni do zastosowania jako radiator byłby co najmniej niezwykle kosztowny, ponieważ prawdopodobnie musiałby to być pojedynczy kryształ o jakości klejnotów, ale czy nie byłoby możliwe zastosowanie na przykład sześciennego azotku boru, który ma podobne przewodnictwo cieplne?

I tak, trudności produkcyjne przy wytwarzaniu dużego pojedynczego kryształu c-BN byłyby prawdopodobnie mniej więcej takie same jak przy wytwarzaniu dużego pojedynczego kryształu diamentu, ale spodziewam się, że cena końcowa nie byłaby tak duża, ponieważ nie ma grupy De Beers, która przyjdź po ciebie po azotek boru. Z pewnością istnieją inne związki niemetaliczne, które mają dobrą przewodność cieplną, a niektóre z nich prawdopodobnie lepiej nadają się do produkcji. Wątpię, czy byliby w stanie zbliżyć się do ceny wyciskanego aluminium, ale czasami potrzebujesz wyższej wydajności.

Podsumowując, moje pytanie brzmi: czy tylko koszt sprawia, że ​​niemetaliczne radiatory są tak rzadkie, czy też są jakieś inne wady, które czynią je mniej pożądanymi poza najbardziej ezoterycznymi zastosowaniami?

Jedną rzeczą, której inne odpowiedzi wydają się nie obejmować, jest to, że potrzebujesz tylko bardzo cienkiej warstwy izolatora elektrycznego (przy umiarkowanych napięciach), podczas gdy część rozpraszająca ciepło radiatora działa najlepiej, jeśli jest gruba. Bardziej efektywne jest więc stosowanie cienkiej bariery izolującej elektrycznie, a następnie grubego, taniego i łatwego do wykonania radiatora metalowego, niż użycie jednego kawałka materiału przewodzącego ciepło i izolującego elektrycznie. Nielicznych istniejących materiałów (takich jak diament) nie można wytłaczać ani w inny sposób łatwo formować w kształt radiatora. Niektóre mogą być spiekane, ale spiekanie zasadniczo nie może osiągnąć przewodności cieplnej materiału sypkiego. Efektem inżynieryjnym całej tej nauki o materiałach jest to, że ostatecznie robimy to, co zawsze robiliśmy.

Kolejnym czynnikiem są zasady dotyczące zapasów: magazynując obszerne, solidne radiatory i mniejszą liczbę (ponieważ nie zawsze są one wymagane) małych, delikatnych podkładek izolacyjnych, twoje zapasy zajmują mniej miejsca i kapitału niż w przypadku przechowywania dwóch rodzajów dużych radiatorów. Zarówno koszt, jak i wydajność są lepsze bez izolatora, gdy nie jest to wymagane.

To nie jest nowy problem; ci z nas w pewnym wieku pamiętają radiatory z izolatorami mikowymi dla pakietów TO-220 i TO-3.

Problem (w tym czasie) dotyczył zarówno kosztu i dostępności materiału, jak i nauki o materiałach. Przeszliśmy długą drogę w naszym zrozumieniu przewodności cieplnej różnych związków na przestrzeni lat, ale nadal jest względna nowa technologia (istnieją takie rzeczy, jak podkładki termoprzewodzące, które istnieją już od dziesięcioleci, ale tak naprawdę nie są radiatorami dobrze).

TO-220 ma rozpraszacz ciepła na kolektorze / odpływie urządzenia, który zwykle ma podwyższone napięcie, więc w typowym układzie zastosowano tę technikę:

Źródło .

Nie było niczym niezwykłym użycie pasty termicznej aby zmaksymalizować przenoszenie ciepła.

To tak naprawdę nie wyjaśnia względnej rzadkości zintegrowanych izolowanych radiatorów; to tak naprawdę sprowadza się do „czy to konieczne”, czy też mogę po prostu zastosować dobrze znaną metodę radiatora i izolującego elektrycznie materiału barierowego, który jest tańszy (przynajmniej dzisiaj).

Stara wypróbowana i prawdziwa metoda służyła dobrze przez wiele dziesięcioleci, ale w niektórych zastosowaniach (szczególnie w małych urządzeniach) takie rozwiązanie może nie pasować.

Istnieje dość kilka oferty dostępne , ale na ogół są one nieco droższe (na zasadzie per watt). Istnieje również wiele badań dotyczących innych materiałów .

Oczywiście dla współczynnika blinga możesz użyć ich .

Sprowadza się to do wielu rzeczy, a głównym czynnikiem są koszty. Zwrócę też uwagę, że duży rynek radiatorów dotyczy procesorów i procesorów graficznych, w których obudowa IC jest izolowana elektrycznie.

Radiatory polimeroweWspomnieć należy o . Radiatory polimerowe nie są rzadkością. Od czasu do czasu spotykam polimerowe radiatory, towary przemysłowe, motoryzacyjne i prosumenckie. Często trudno je rozpoznać jako radiatory, ponieważ mogą mieć drugie cele mechaniczne (obudowa, wspornik, odbłyśnik lampy). Te radiatory są zawsze niestandardowymi elementami formowanymi wtryskowo.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 to tworzywo sztuczne ( źródło )

Trochę dodatkowej dyskusji w tej starej odpowiedzi .

Chodzi o to, że radiator ma tak naprawdę tylko dwa sposoby, aby ostatecznie pozbyć się ciepła, przewodnictwa i promieniowania.

Tak więc ostatecznie, zakładając, że twoja emisyjność jest rozsądnie bliska 1 (Ma to naprawdę znaczenie, jeśli możesz uruchomić GORĄCE, utrata mocy na promieniowanie jest 4. mocą temperatury bezwzględnej) i możesz sprawić, że przedmiot ma dobry kontakt termiczny z otaczającymi środkami chłodzącymi (powietrze , woda, cokolwiek), to, z czego ją wykonujesz, ma niewielkie znaczenie (interfejs ten jest zabójczy dla wydajności, a nie dla przewodności cieplnej całego radiatora).

Teraz wyraźnie musisz zaprojektować radiator tak, aby ciepło przepływało przez niego stosunkowo wydajnie oraz w obszarze, w którym występuje duża gęstość strumienia mocy, która może przemawiać za czymś innym niż sojusznikiem, dla większości rzeczy, w których masz dużo metalu aby utrzymać deltę na niskim poziomie, najtańsze jest najlepsze.

W przypadku rozpraszacza ciepła lub podkładki izolacyjnej jest to oczywiście inne, z definicji stosuje się rozpraszacze ciepła, w których gęstość strumienia mocy jest bardzo wysoka, a minimalny opór cieplny jest bardzo dobrą rzeczą, stąd zwykłe zastosowanie miedzi w tej roli.

W przypadku izolatora widać egzotyczne materiały, ponieważ dobry przewodnik cieplny, który jest również izolatorem elektrycznym, nie jest tak powszechny, więc azotek boru, tlenek glinu, tlenek berylu (!) I tym podobne wszyscy tutaj widzą usługi, a ja nie byłbym zszokowany przez kogoś używającego diamentu (prawdopodobnie w jakimś dziwnym urządzeniu RF).

Z technicznego punktu widzenia z pewnością możliwe jest wytwarzanie radiatorów z wbudowanymi podkładkami izolującymi. Powodem, dla którego tego nie robią, jest ekonomia.

Pomiędzy różnymi wyborami mechanicznymi, elektrycznymi i termicznymi istnieje wiele różnych kombinacji. Gdyby izolator i radiator stanowiły jedną część, dostawcy musieliby magazynować o wiele więcej unikalnych numerów części.

Uwzględniając izolator i radiator w unikalnych produktach, użytkownik ma o wiele więcej możliwości.

Oto niektóre rzeczy do rozważenia.

1) W wielu przypadkach użytkownik użyje podkładek dystansowych między radiatorami a gorącymi elementami, aby uzyskać luz w tolerancjach mechanicznych. Oznacza to, że każdy użytkownik będzie chciał, aby podkładka miała inną grubość.

2) Materiały na podkładki termoizolacyjne różnią się stopniem dopasowania do chropowatych powierzchni. Często dochodzi do wymiany między zwięzłością materiału a tym, jak dobrze przewodzi ciepło.

3) Różni użytkownicy będą mieć różne wymagania dotyczące izolacji pod względem napięcia. Występuje kompromis między napięciem izolacji, grubością materiału i oporem cieplnym.

3) Dodanie izolatora między radiatorem a częścią ma negatywny wpływ na opór cieplny. Jeśli nie można zastosować warstwy izolacyjnej, wówczas uzyskasz najlepszą wydajność cieplną w tym przypadku.

Najlepszym kompromisem jest wykonanie wyjątkowo cienkiej warstwy o dużej powierzchni o wysokim napięciu znamionowym [kV / mm] o wystarczającej twardości, aby nie można jej było ciąć ani przebijać, ale musi to również być tanie.

Charakterystyka izolatora przewodzącego ciepło obejmuje;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Wszystkie izolatory elektryczne są „dielektrykami”. Wszystkie radiatory są dobrymi przewodnikami termicznymi.
Jednak w przypadku ciał stałych posiadanie obu tak dobrych cech może być kosztowne.
Materiały zmieniające fazę, które zamieniają płyn pod ciśnieniem, aby stworzyć możliwe rozwiązanie.

Procesory wykorzystują szkło ceramiczne jako wierzch termiczny do radiatora ze względu na wyjątkowo płaskie właściwości.

W przypadku triaków napięcia sieciowego Mica była najlepszym materiałem do ochrony impulsu 5kV i przewodnictwa cieplnego smarem termicznym.

Płyny dielektryczne, takie jak olej transformatorowy, są również dobrymi izolatorami termicznymi z przepływem ciepła.

Liczby zasług dla porównania materiałów Zastosowanie izolatorów przewodzących ciepło;

Przewodność cieplna [W / mK] ,
grubość [um] , twardość Shore'a [00] ,
wytrzymałość dielektryczna [kV / mm] i
impedancja cieplna [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ lub podzielić przez przewodnictwo cieplne w $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Tradycyjne rozwiązania; były miki, taśmy 3M i niektóre taśmy polimerów.

Najlepszym ekonomicznym rozwiązaniem Aavid Thermalloy jest:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

W przypadku usuwania ciepła z wymuszonego powietrza nie liczy się CFM, ale często jest zgłaszany, a raczej turbulentna prędkość powietrza na powierzchni kontroluje chłodzenie w średniej [m / s].

Iloczyn obu tych parametrów prowadzi do najlepszych właściwości materiału, ale nie do najtańszych.

Właściwie istnieje dobre rozwiązanie: aluminium. Anodyzowane aluminium. Anodowanie zmienia powierzchnię w tlenek glinu, który jest izolatorem. Dobra wiadomość: Powierzchnia jest zwiększona, aby pomóc w przewodzeniu ciepła do otaczającego powietrza; Zła wiadomość nie jest płaską, gładką powierzchnią do kontaktu z urządzeniem wytwarzającym ciepło. Rozwiązanie: związek termiczny (znany również jako „smar”). Ważne uwagi: istnieje kilka procesów anodowania aluminium. Większość ładnych rzeczy to „klasa I”, która jest miękka lub „klasa II”, która jest umiarkowanie twarda. Można użyć klasy II Jeżeli nie ma względny ruch urządzenia mają być chłodzone i jest solidnie zamocowany na radiatorze i nie ma zadziorów lub zadrapania, to działa dobrze. Za dużo „ jeśli ” i „„s dla ciebie? Zatem anodowanie„ klasy III ”jest tym, czego chcesz. Zwykle jest nierównomiernie zabarwione, a czerń ma brązowawy lub purpurowy odcień. Jest prawie tak twarda jak diamenty i prawie odporna na zarysowania. Nadal potrzebuje smaru, ale brak izolatora przy rozsądnych napięciach. Wojsko i przemysł lotniczy stosowały go od ponad 50 lat, zarówno jako cienkie (~ 0,025 ") anodowane podkładki (podobne do wytłaczanych izolatorów miki TO-3) lub cała obudowa (pomyśl o pociskach). Trudno znaleźć teraz i kosztuje więcej niż inne rozwiązania, ale dobrze sobie radzi.

Do „smaru” użyj silikonu (nie na bazie ropy naftowej), tlenku glinu (nie tlenku cynku) z Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly lub Saint-Gobain. Butikowy sprzęt na bazie srebra i miedzi do podkręcania gier komputerowych jest zarówno drogi, jak i przewodzący. Jest to OK w przypadku anodowania klasy III, pod warunkiem, że nie migruje, nie spada, nie wysycha, nie pudruje ani nie łuszczy się itp. Na prąd przenoszący (nie używaj go). Jeśli naprawdę potrzebujesz połączyć dużo ciepła ze smarem, tlenek berylu jest kilka razy lepszy niż tlenek glinu. Po prostu traktuj to jak azbest: nie lizaj, nie jedz, nie wdychaj. Jest drażniący dla skóry, więc noś rękawiczki i przygotuj się na atak „toksycznego polowania na czarownice”. Smary te muszą mieć grubość od 0,0001 "do 0,0005" pod urządzeniem (rodzaj półprzezroczystego). Nakładać za pomocą małej ściągaczki z tworzywa sztucznego lub metalu; w przypadku wielkości produkcji należy użyć szablonu (ten sam rodzaj materiału szablonu, co w przypadku pasty lutowniczej ~ 0,005 "SS) i ściągaczki.

Widziałem radiatory z cienką powłoką ceramiczną w obszarze montażu, ale różnica w Cte stanowi problem i może pęknąć cienką ceramikę.

Mam nadzieję, że to pomaga, mam to> 40 lat wędrówki między elektronami i dziurami elektronowymi.

Ogólnie rzecz biorąc, podejrzewam, że unikanie „zużycia” w terenie, a co za tym idzie kosztowna wymiana, jest kluczowym powodem ogólnych zastosowań unikania radiatorów krystalicznych. Nie wspominając, że metalowe radiatory nigdy nie zawodzą w terenie. Ogólnie rzecz biorąc, wymiana radiatorów metalowych w terenie byłaby o wiele tańsza i wymagałaby znacznie mniej specjalistycznego sprzętu w porównaniu do radiatorów krystalicznych.

Oznacza to, że na początku krystaliczne radiatory byłyby generalnie drogie w obróbce mechanicznej, a pewne prawidłowe pęknięcie nastąpiłoby z powodu naprężeń termicznych i mechanicznych. Nadal możesz utrzymać akceptowalne koszty całkowite, jeśli wszystko to wydarzyło się w specjalnej fabryce radiatorów. Ale nierzadko producenci końcowi muszą przycinać radiator, aby pasował itp.

Po raz drugi w zastosowaniach terenowych wiele radiatorów doznaje szoku termicznego i mechanicznego oraz wibracji, które mogą być poza 100% współczynnikiem przeżycia dla radiatorów krystalicznych. Z drugiej strony dobre stare metalowe radiatory mogą wymagać sporo nadużyć i zginania. Niektóre służą nawet jako mechaniczny punkt mocowania do zewnętrznej ramy większego zespołu.

Również w przypadku radiatorów krystalicznych łączniki mogą stać się punktami awarii zamiast radiatora. Miększy element mocujący tłumiłby uszkodzenia wibracyjne radiatora, ale zamiast tego byłby stopniowo przecinany przez te same wibracje i zginanie.

Tak więc krystaliczne radiatory prawdopodobnie stałyby się okazjonalnym przedmiotem naprawy w terenie ... zakładając inteligentne wyłączenie termiczne i alarmy. Teraz zastanów się, jakie specjalne narzędzia są potrzebne w tej dziedzinie i jaki rodzaj zepsucia może mieć zastosowanie, gdy przeciętna technika próbuje poradzić sobie z wymianą. Założę się, że radiatory byłyby czymś, co wielu korpusów, rządów i klientów prywatnych oczekiwałoby, że lokalni technicy poradzą sobie, nawet jeśli nie obwody. Tylko praca z kluczem, prawda?