اپوکسی عایق الکتریکی 82

فصل ۸۲ ـ انتقال حرارت و مدیریت گرمایی در رزین اپوکسی عایق برق؛ رسانش، نقاط داغ و پایداری حرارتی
جهت مشاوره رایگان تماس بگیرید 09221696509
مقدمه
انتقال حرارت رزین اپوکسی یکی از عوامل مهم در مدیریت گرمایی تجهیزات عایقکاری برق است. رسانندگی حرارتی، ضخامت رزین و شرایط نصب میتوانند بر دمای نهایی عایق تأثیر بگذارند. اگر گرمای تولیدشده در هادیها و اتصالات بهخوبی دفع نشود، ممکن است نقاط داغ ایجاد شوند و بر عملکرد الکتریکی و مکانیکی سیستم اثر بگذارند.
رزین اپوکسی عایق برق معمولاً با هدف جلوگیری از عبور جریان الکتریکی انتخاب میشود، اما همین ماده در یک تجهیز الکتریکی همزمان در معرض حرارت قرار دارد. بنابراین نمیتوان عملکرد عایق را صرفاً با مشخصات الکتریکی آن ارزیابی کرد. در یک تجهیز واقعی، گرما میتواند از هادی، اتصالات، سیمپیچ، هسته، ترمینال یا سایر اجزای داخلی تولید شود و سپس از طریق رسانش، همرفت و تابش به محیط انتقال پیدا کند. اگر بخشی از این مسیر با یک ماده پلیمری پوشانده یا محصور شده باشد، ویژگیهای حرارتی رزین نیز وارد مسئله طراحی میشود. موضوع فقط «مقاومت حرارتی» نیست. ضخامت رزین، رسانندگی حرارتی، هندسه قطعه، تماس رزین با فلز، مقدار فیلر، دمای محیط، نرخ تولید گرما و مدت زمان قرارگیری در دمای بالا همگی در رفتار نهایی مؤثرند.
برای خرید محصول کلیک کنید
۱. رسانش حرارتی در رزین اپوکسی
در مواد جامد، یکی از مهمترین مسیرهای انتقال گرما، رسانش حرارتی است. در یک بیان ساده، گرما از ناحیه گرمتر به ناحیه سردتر حرکت میکند. میزان این انتقال به ضریب هدایت حرارتی ماده، اختلاف دما و هندسه مسیر بستگی دارد. رزین اپوکسی خالص معمولاً در مقایسه با فلزات، رسانندگی حرارتی بسیار پایینتری دارد. به همین دلیل وجود یک لایه ضخیم رزین در مسیر خروج گرما میتواند مقاومت حرارتی ایجاد کند.
—
۲. عایق الکتریکی لزوماً عایق حرارتی نیست
واژه «عایق» در مهندسی برق به معنای جلوگیری از عبور جریان الکتریکی است. اما عایق الکتریکی بودن به معنای آن نیست که ماده حتماً بهترین عایق حرارتی نیز باشد. این دو ویژگی از نظر فیزیکی متفاوت هستند و باید جداگانه اندازهگیری و تحلیل شوند.
—
۳. مقاومت حرارتی چیست؟
مقاومت حرارتی بیان میکند که یک ساختار در برابر عبور گرما چه مقدار مانع ایجاد میکند. در یک مدل ساده، هرچه مسیر انتقال گرما ضخیمتر و رسانندگی حرارتی ماده کمتر باشد، مقاومت حرارتی بیشتر میشود. بنابراین ضخامت رزین از نظر حرارتی اهمیت دارد؛ حتی اگر از نظر الکتریکی افزایش ضخامت مطلوب باشد.
—
۴. رابطه ضخامت با انتقال حرارت
اگر دو لایه از یک ماده با سطح یکسان در نظر گرفته شوند، افزایش ضخامت مسیر انتقال حرارت را طولانیتر میکند. در نتیجه انتقال گرما دشوارتر میشود و اختلاف دمای بیشتری ممکن است در دو طرف لایه ایجاد شود. به همین علت افزایش ضخامت رزین باید هم از نظر الکتریکی و هم از نظر حرارتی بررسی شود.
—
۵. ایجاد نقطه داغ
یکی از مشکلات مهم در تجهیزات الکتریکی، ایجاد نقاط داغ است. نقطه داغ ناحیهای است که دمای آن نسبت به بخشهای اطراف بالاتر میرود. اگر رزین در اطراف این ناحیه قرار گرفته باشد، انتقال حرارت مناسب میتواند برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دما اهمیت داشته باشد.
—
۶. گرمای تولیدشده در هادی
عبور جریان از هادی با تولید گرما همراه است. در شرایطی که جریان افزایش پیدا کند یا مقاومت الکتریکی اتصال بالا برود، تولید حرارت نیز میتواند افزایش یابد. رزین عایق در چنین شرایطی باید در محدوده حرارتی مناسب برای کاربرد مورد نظر باقی بماند.
—
۷. اتصالات و ترمینالها
اتصالات الکتریکی یکی از نقاطی هستند که امکان ایجاد گرما در آنها وجود دارد. شل بودن اتصال، افزایش مقاومت تماس یا طراحی نامناسب میتواند موجب افزایش دما شود. اگر چنین نقطهای با رزین پوشانده شود، باید مسیر انتقال حرارت نیز مورد توجه قرار گیرد.
—
۸. محصور کردن هادی با رزین
رزینریزی یا Potting میتواند حفاظت مکانیکی و الکتریکی مناسبی ایجاد کند. اما محصور شدن کامل یک قطعه گرم در مادهای با رسانندگی حرارتی پایین میتواند دفع گرما را دشوارتر کند. بنابراین Potting نباید بدون تحلیل حرارتی انجام شود.
—
۹. تفاوت Potting نازک و ضخیم
یک پوشش نازک ممکن است اثر حرارتی محدودی داشته باشد. اما در قطعاتی که حجم زیادی از رزین اطراف هادی قرار میگیرد، مسیر انتقال حرارت طولانیتر میشود. به همین دلیل طراحی ضخامت در سیستمهای رزینی اهمیت دوگانه الکتریکی و حرارتی دارد.
—
۱۰. گرادیان دما
اگر یک طرف رزین گرم و طرف دیگر سرد باشد، در داخل لایه اختلاف دما ایجاد میشود. این اختلاف دما را میتوان گرادیان حرارتی نامید. در ساختارهای ضخیم یا چندلایه، بررسی گرادیان دما میتواند برای تعیین نقاط بحرانی مفید باشد.
—
۱۱. اثر گرادیان دما بر تنش
گرم شدن یکنواخت یک قطعه با گرم شدن غیر یکنواخت آن تفاوت دارد. وقتی یک قسمت گرم و قسمت دیگر سرد باقی بماند، انبساط آنها نیز یکسان نخواهد بود. این اختلاف میتواند تنش حرارتی ایجاد کند.
—
۱۲. ارتباط انتقال حرارت با ترک
اگر تنش حرارتی از ظرفیت تحمل ساختار بیشتر شود، امکان ایجاد ترک افزایش پیدا میکند. ترک نیز میتواند به نوبه خود مسیرهای جدیدی برای رطوبت و تخلیههای الکتریکی ایجاد کند. بنابراین مسئله حرارتی در نهایت میتواند به یک مسئله الکتریکی تبدیل شود.
—
۱۳. اختلاف انبساط رزین و فلز
رزین اپوکسی و فلز معمولاً ضریب انبساط حرارتی یکسانی ندارند. هنگام افزایش یا کاهش دما، این اختلاف انبساط میتواند در فصل مشترک تنش ایجاد کند. تکرار سیکلهای حرارتی ممکن است در طول زمان به چسبندگی و ساختار عایق آسیب بزند.
—
۱۴. نقش رسانندگی حرارتی فلز
فلزات معمولاً گرما را بسیار بهتر از رزین منتقل میکنند. بنابراین یک قطعه فلزی میتواند گرما را از نقطه تولید به بخشهای دیگر منتقل کند. رزین اطراف فلز، در مقابل، ممکن است مسیر انتقال حرارت متفاوتی ایجاد کند.
—
۱۵. مقاومت حرارتی فصل مشترک
حتی اگر رزین و فلز هر دو بهدرستی انتخاب شده باشند، تماس میان آنها میتواند در انتقال گرما اهمیت داشته باشد. وجود حباب، جداشدگی یا تماس ناقص میتواند مقاومت حرارتی موضعی ایجاد کند. به همین دلیل کیفیت چسبندگی فقط یک مسئله مکانیکی یا الکتریکی نیست و میتواند از نظر حرارتی نیز اهمیت داشته باشد.
—
۱۶. حباب و تخلخل
حبابهای داخل رزین میتوانند مسیر انتقال حرارت را تغییر دهند. علاوه بر این، در کاربردهای ولتاژ بالا، حباب ممکن است از نظر الکتریکی نیز محل نامطلوبی باشد. بنابراین حذف تخلخل، هم از نظر حرارتی و هم از نظر الکتریکی اهمیت دارد.
—
۱۷. اثر رطوبت بر رفتار حرارتی
رطوبت میتواند برخی خواص مواد پلیمری را تغییر دهد. در نتیجه ارزیابی حرارتی یک سیستم عایقی باید در صورت اهمیت کاربرد، شرایط محیطی واقعی را نیز در نظر بگیرد. دمای بالا همراه با رطوبت معمولاً شرایط سختتری نسبت به محیط خشک ایجاد میکند.
—
۱۸. دمای گذار شیشهای
دمای گذار شیشهای یا Tg یکی از پارامترهای مهم در بررسی رزینهای پلیمری است. در نزدیکی این محدوده، رفتار مکانیکی پلیمر میتواند تغییر قابل توجهی داشته باشد. بنابراین دانستن Tg یک رزین بهتنهایی کافی نیست، اما میتواند در ارزیابی محدوده حرارتی کاربرد مفید باشد.
—
۱۹. Tg با دمای کاری یکسان نیست
نباید Tg را به عنوان «حداکثر دمای کار مجاز» تلقی کرد. دمای مجاز سرویس به طراحی کل سیستم، مدت زمان قرارگیری در دما، بار، شرایط محیطی، پیرشدگی و مشخصات واقعی رزین بستگی دارد. بنابراین یک عدد Tg بهتنهایی تعیینکننده عمر تجهیز نیست.
—
۲۰. گرمای واکنش هنگام پخت
پخت اپوکسی یک فرآیند شیمیایی گرمازا است. در حجمهای کوچک، گرمای ایجادشده ممکن است بهسرعت دفع شود. اما در حجمهای بزرگ رزین، امکان افزایش دمای داخلی وجود دارد.
—
۲۱. خطر افزایش دمای داخلی هنگام Potting
وقتی حجم زیادی از رزین بهطور همزمان در حال پخت باشد، گرمای واکنش میتواند در مرکز قطعه تجمع پیدا کند. اگر شرایط نامناسب باشد، این افزایش دما میتواند باعث ایجاد تنش، حباب، تغییرات حجمی یا آسیب به اجزای حساس شود. به همین دلیل حجم و هندسه Potting باید در فرآیند پخت مورد توجه قرار گیرد.
—
۲۲. نقش سرعت پخت
سرعت واکنش شیمیایی با دما ارتباط دارد. افزایش دما میتواند سرعت پخت را افزایش دهد، اما افزایش بیش از حد دما ممکن است کنترل فرآیند را دشوار کند. بنابراین دستورالعمل واقعی سازنده رزین باید مبنای تعیین شرایط پخت باشد.
—
۲۳. فیلرها و رسانندگی حرارتی
استفاده از فیلرهای مناسب میتواند برخی خواص حرارتی رزین را تغییر دهد. در کامپوزیتهای اپوکسی، نوع فیلر، مقدار آن، اندازه ذرات و کیفیت پراکنش اهمیت دارند. اما افزایش رسانندگی حرارتی نباید بدون بررسی تأثیر فیلر بر خواص الکتریکی انجام شود.
—
۲۴. فیلرهای رسانای حرارتی و عایق الکتریکی
برخی فیلرها میتوانند رسانندگی حرارتی را افزایش دهند و در عین حال در صورت انتخاب مناسب، ویژگی عایق الکتریکی سیستم را حفظ کنند. با این حال این مسئله کاملاً وابسته به نوع ماده، ساختار، مقدار مصرف و فرمولاسیون است. بنابراین نمیتوان هر فیلر با رسانندگی حرارتی بالا را برای عایق ولتاژ بالا مناسب دانست.
—
۲۵. نانوذرات
نانوذرات نیز میتوانند خواص حرارتی و مکانیکی کامپوزیت را تغییر دهند. ولی پراکنش مناسب آنها اهمیت زیادی دارد. تجمع نانوذرات میتواند موجب ایجاد ناهمگنی و تغییر رفتار الکتریکی یا مکانیکی شود.
برای خرید محصول کلیک کنید
۲۶. فیلر زیاد همیشه بهتر نیست
افزایش مقدار فیلر ممکن است ویسکوزیته را بالا ببرد. در نتیجه اختلاط، اعمال، خروج حباب و پر شدن کامل هندسه قطعه دشوارتر شود. بنابراین فرمولاسیون باید یک تعادل میان خواص حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و فرآیندپذیری ایجاد کند.
—
۲۷. ضخامت و نقاط داغ
گاهی افزایش ضخامت رزین برای افزایش استقامت عایقی پیشنهاد میشود. اما اگر این افزایش ضخامت در اطراف یک منبع حرارتی باشد، ممکن است دفع گرما را دشوارتر کند. بنابراین تصمیم درباره ضخامت باید چندمعیاره باشد.
۲۸. انتقال حرارت از سطح خارجی
در نهایت گرمای داخل قطعه باید به محیط منتقل شود. این انتقال میتواند از طریق رسانش در مواد، همرفت در هوا و تابش از سطح انجام شود. شرایط نصب و تهویه نیز بر دمای نهایی اثر میگذارند.
—
۲۹. اثر تهویه
دو تجهیز با ساختار عایقی مشابه میتوانند در دو محیط متفاوت دمای متفاوتی داشته باشند. تجهیزی که در محیط با جریان هوای مناسب نصب شده است، ممکن است گرما را بهتر دفع کند. بنابراین دمای رزین را نمیتوان مستقل از شرایط نصب تعیین کرد.
—
۳۰. دمای محیط
افزایش دمای محیط، حاشیه حرارتی سیستم را کاهش میدهد. اگر یک رزین در دمای مشخصی از محیط عملکرد قابل قبول داشته باشد، ممکن است همان طراحی در محیط گرمتر شرایط متفاوتی پیدا کند. به همین دلیل دمای محیط باید در طراحی حرارتی لحاظ شود.
—
۳۱. ارتفاع و انتقال حرارت
در ارتفاعات بالا، چگالی هوا کاهش پیدا میکند. این مسئله میتواند بر همرفت و همچنین بر رفتار فاصلههای هوایی اثر بگذارد. بنابراین در تجهیزات خاص، ارتفاع محل نصب میتواند یکی از پارامترهای طراحی باشد.
—
۳۲. تابش خورشید
در تجهیزات فضای باز، تابش خورشید نیز میتواند دمای سطح را افزایش دهد. رزین ممکن است همزمان تحت تأثیر گرما و تابش فرابنفش قرار گیرد. این ترکیب تنشها باید در ارزیابی دوام فضای باز مورد توجه قرار گیرد.
—
۳۳. سیکلهای حرارتی
دمای تجهیز همیشه ثابت نیست. روشن و خاموش شدن، تغییر بار و تغییر دمای محیط میتواند موجب سیکل حرارتی شود. تکرار این سیکلها ممکن است به مرور باعث ایجاد تنش و کاهش چسبندگی شود.
—
۳۴. گرما و تخلیه جزئی
گرمای بیش از حد ممکن است خواص مواد را تغییر دهد. اگر در عایق حفره یا نقصی وجود داشته باشد، تغییرات حرارتی میتواند شرایط آن ناحیه را نیز تغییر دهد. در سیستمهای حساس، ارزیابی تخلیه جزئی پس از سیکل حرارتی میتواند اطلاعات ارزشمندی ارائه کند.
—
۳۵. گرما و مقاومت عایقی
خواص الکتریکی پلیمرها میتواند با دما تغییر کند. به همین دلیل مقاومت عایقی در دمای محیط الزاماً با مقاومت عایقی در دمای بالا یکسان نیست. برای کاربردهای حساس، آزمون باید در شرایط نزدیک به سرویس انجام شود.
—
۳۶. گرما و استقامت دیالکتریک
استقامت دیالکتریک نیز یک ویژگی مستقل از دما نیست. تغییرات دما، رطوبت، ساختار ماده و کیفیت عایق میتوانند نتیجه آزمون را تحت تأثیر قرار دهند. بنابراین یک مقدار ولتاژ شکست در یک دمای مشخص نباید بدون قید و شرط به تمام شرایط کاری تعمیم داده شود.
—
۳۷. اندازهگیری رسانندگی حرارتی
رسانندگی حرارتی باید با روش آزمون مشخص و شرایط مشخص اندازهگیری شود. دما، رطوبت، جهت نمونه، چگالی و نوع فیلر میتوانند بر نتیجه اثر بگذارند. بنابراین هنگام مقایسه دو رزین، فقط مقایسه یک عدد بدون توجه به روش آزمون کافی نیست.
—
۳۸. اندازهگیری دمای واقعی تجهیز
در کاربرد صنعتی، اندازهگیری دمای واقعی میتواند از محاسبات تئوری نیز مهمتر باشد. استفاده از حسگر مناسب، تصویربرداری حرارتی یا روشهای دیگر میتواند نقاط داغ را آشکار کند. البته انتخاب روش اندازهگیری باید متناسب با تجهیز و شرایط بهرهبرداری باشد.
—
۳۹. نقشه حرارتی
در تجهیزات پیچیده میتوان توزیع دما را بهصورت نقشه حرارتی بررسی کرد. این کار مشخص میکند که کدام بخش بیشترین دما را دارد. سپس میتوان ضخامت رزین، مسیر انتقال حرارت یا طراحی مکانیکی را اصلاح کرد.
—
۴۰. تحلیل حرارتی عددی
همانند تحلیل میدان الکتریکی، برای مسائل پیچیده میتوان از روشهای شبیهسازی حرارتی استفاده کرد. مدل میتواند تولید گرما، رسانش در رزین و فلز، همرفت و شرایط مرزی را در نظر بگیرد. این روش در طراحی تجهیزات پیچیده میتواند بسیار مفید باشد.
—
۴۱. مدل باید با واقعیت هماهنگ باشد
شبیهسازی تنها زمانی مفید است که دادههای ورودی قابل اعتماد باشند. ضریب هدایت حرارتی، ضریب انتقال حرارت، دمای محیط، تولید گرما و هندسه باید تا حد امکان واقعی باشند. مدل ساده با داده نادرست میتواند نتیجهای ظاهراً دقیق اما عملاً نامعتبر تولید کند.
—
۴۲. طراحی همزمان الکتریکی و حرارتی
بهترین طراحی عایق رزینی، طراحیای نیست که فقط ولتاژ شکست بالایی داشته باشد. باید بررسی شود که آیا همین طراحی از نظر حرارتی نیز مناسب است یا خیر. گاهی بهترین ساختار، ساختاری است که میان ضخامت عایق، انتقال گرما و میدان الکتریکی تعادل ایجاد کند.
—
۴۳. پوشش نازک یا Potting ضخیم؟
پاسخ به این سؤال به کاربرد بستگی دارد. پوشش نازک ممکن است برای یک کاربرد کافی باشد و کمترین اثر حرارتی را ایجاد کند. در مقابل، Potting ضخیم میتواند حفاظت مکانیکی و عایقی بیشتری ایجاد کند، اما از نظر دفع گرما نیازمند بررسی دقیقتر است.
—
۴۴. اهمیت طراحی مسیر گرما
در تجهیزات حساس میتوان مسیر خروج گرما را از طریق فلزات، بدنه یا ساختارهای حرارتی مناسب طراحی کرد. در این شرایط رزین نباید بهصورت ناخواسته مانع اصلی خروج گرما شود.
—
۴۵. اثر حباب بر مسیر حرارتی
حباب علاوه بر مشکلات الکتریکی، میتواند انتقال حرارت موضعی را نیز تغییر دهد. اگر حباب در نزدیکی یک منبع حرارتی قرار داشته باشد، رفتار حرارتی آن ناحیه ممکن است با ساختار بدون حباب متفاوت باشد. از این نظر نیز فرآیند حبابزدایی اهمیت دارد.
—
۴۶. کنترل کیفیت حرارتی
در پروژههای حساس میتوان علاوه بر آزمونهای الکتریکی، آزمونهای حرارتی نیز در برنامه کنترل کیفیت قرار داد. مواردی مانند رسانندگی حرارتی، سیکل حرارتی، دمای نقطه داغ و تغییر خواص پس از پیرشدگی میتوانند بررسی شوند. نوع آزمون باید بر اساس کاربرد واقعی تعیین شود.
—
۴۷. اطلاعات مربوط به پادنار 8119
در اطلاعات فنی ارائهشده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، دادههای مشخصی درباره آزمون ولتاژ الکتریکی نمونه ارائه شده است؛ اما برای اعلام ضریب هدایت حرارتی، Tg، مقاومت حرارتی یا حداکثر دمای کار این محصول، باید به دیتاشیت یا گزارش آزمایشگاهی معتبر همان محصول مراجعه کرد. بنابراین در نبود چنین دادهای، نسبت دادن یک عدد حرارتی مشخص به 8119 از نظر فنی صحیح نیست.
—
۴۸. چرا نمیتوان از آزمون ولتاژ، عملکرد حرارتی را نتیجه گرفت؟
آزمون ولتاژ شکست یک آزمون الکتریکی است. این آزمون مستقیماً ضریب هدایت حرارتی یا ظرفیت دفع گرما را مشخص نمیکند. ممکن است مادهای از نظر الکتریکی عملکرد خوبی داشته باشد، اما برای یک کاربرد حرارتی خاص نیازمند طراحی متفاوتی باشد.
—
۴۹. انتخاب رزین برای تجهیز گرم
برای انتخاب رزین مناسب در یک تجهیز گرم، بهتر است حداقل این موارد بررسی شود:
– دمای کاری؛
– مدت قرارگیری در دما؛
– دمای نقطه داغ؛
– رسانندگی حرارتی؛
– Tg؛
– ضریب انبساط حرارتی؛
– چسبندگی به زیرلایه؛
– شرایط رطوبتی؛
– سیکل حرارتی؛
– و الزامات الکتریکی.
هیچکدام از این موارد بهتنهایی کافی نیستند.
—
۵۰. جمعبندی
رزین اپوکسی عایق برق همزمان در دو دنیای الکتریکی و حرارتی فعالیت میکند. وظیفه اصلی آن جلوگیری از عبور جریان ناخواسته است، اما اگر در یک تجهیز گرم قرار گیرد، نحوه انتقال حرارت از میان آن نیز اهمیت پیدا میکند. ضخامت رزین، رسانندگی حرارتی، حباب، تخلخل، کیفیت تماس با فلز، مقدار و نوع فیلر، دمای محیط و شرایط نصب همگی میتوانند دمای واقعی عایق را تحت تأثیر قرار دهند. از سوی دیگر، افزایش دما ممکن است خواص مکانیکی و الکتریکی رزین را تغییر دهد و در صورت تکرار سیکلهای حرارتی، زمینه ترک، جداشدگی یا ایجاد نقصهای جدید را فراهم کند.
بنابراین در طراحی یک سیستم عایق اپوکسی، سؤال درست فقط این نیست که «رزین چه ولتاژی را تحمل میکند؟» بلکه باید پرسید: در این هندسه، با این ضخامت، در این دما و با این میزان تولید گرما، سیستم عایقی چه رفتاری خواهد داشت؟ در مورد رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119 نیز دادههای اعلامشده مربوط به آزمونهای الکتریکی باید همانگونه که هستند تفسیر شوند و برای مشخصات حرارتی، تنها از اعداد و گزارشهای فنی معتبر محصول استفاده شود. در نهایت، یک عایق الکتریکی موفق باید از نظر الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و اجرایی بهصورت یک مجموعه واحد طراحی و ارزیابی شود.
۰ دیدگاه