ООО ТД «СПМ»
Щелковское шоссе, 5с1 105122 Москва
+7 495 730-28-78 +7 495 849-28-28 +7 495 730-28-66 info@olenta.ru

Теплорассеивающие пластмассы — вызов алюминию

Теплорассеивающие пластмассы — вызов алюминию Использование полимерных композитов с многократно увеличенной теплопроводностью для охлаждения различных устройств. статья

Вопросы охлаждения, отвода излишнего тепла всегда будут актуальны для обеспечения оптимальных условий работы всевозможных технических устройств: ядерных реакторов, ракетных двигателей, ламп накаливания, компьютеров и т.д.
Для устройств охлаждения традиционно используются металлы и их сплавы. Последние результаты в области полимерного компаундирования дают основания утверждать, что к ним в ближайшем будущем могут присоединиться теплорассеивающие пластмассы — полимерные композиты с многократно увеличенной теплопроводностью.
Немного теплофизики
Чтобы охладить любое устройство, которое выделяет тепло, нужно сначала отвести (транспортировать тепло) от источника тепловыделения на некоторое расстояние, а затем отдать (рассеять) это тепло в окружающую среду (воздух). Механизмы этих двух взаимосвязанных процессов теплопередачи принципиально различны. Первый процесс описывается законами теплопроводности, второй законами конвекции.
Способность транспортировать тепло у разных веществ существенно различна, зависит от их структуры, состава и характеризуется коэффициентом теплопроводности ( λ  Wt/m K). Так алюминий ( λ  = 200 Wt/m K ) может отводить в 1300 раз больше тепла, чем пластмасса (  λ  = 0.15 Wt/m K ).
А вот поглощение (рассеивание) воздухом, являясь конвективным процессом, практически не зависит от теплопроводности отдающего тепло материала, а напрямую связано с характеристиками воздуха (температура, влажность, скорость обтекания).
В соответствии с законами теплопередачи в режиме естественной конвекции (охлаждение без применения внешних вентиляторов) существует некоторый конкретный предел (лимит) количества тепла, которое может быть поглощено с единицы теплоотдающей поверхности внешним, окружающим воздухом.
Для охлаждения в целом это означает, что повышение коэффициента теплопроводности теплоотдающего тела имеет смысл лишь до того момента, пока количество транспортируемого через него тепла не достигнет значения, которое может быть максимально принято (рассеяно) воздухом на последнем, лимитирующем этапе.
Согласно расчетам «эффективно» работающая величина коэффициента теплопроводности    λ эф   колеблется в районе 5-10 Вт/м K. Дальнейшее его увеличение уже избыточно и не приведёт к увеличению теплосъема в целом.
Этот вывод подтверждается серией экспериментов (CoolPolymers), Рис. 1, в которых тепловой источник постоянной мощности (5 Wt) закреплялся на пластинах одинакового размера, изготовленных из материалов с разной теплопроводностью. За точку отсчета бралась пластина из обычной пластмассы (теплопроводность 0,15 Вт/м K). Измерялся максимальный перепад температур, возникающий на пластине за счет выделяемого источником тепла.

При более чем десятикратном увеличении теплопроводности от 0,2 до 2,0 Вт/м K перепад температур по пластине снизился в 20 раз, т.е. наблюдалось очень эффективное выравнивание температурного поля. Однако уже следующее (стократное !!!) увеличении теплопроводности с 2,0 до 200 Вт/м K (чистый алюминий) привело лишь к незначительному уменьшению перепада по поверхности пластины на 2-4 грС. Тем самым было подтверждено, что теплопроводящий потенциал алюминия используется в режиме естественного охлаждения в лучшем случае лишь на одну десятую своих возможностей, а его применение технически избыточно.
Теплопроводность стандартных пластмасс колеблется в районе 0,1-0,3 Вт/м K, т. е. они являются не проводниками тепла, а типичными теплоизоляторами.
Почти стократный разрыв между реальной и требуемой λ эф теплопроводностью для изготовления охлаждающих устройств не позволял разработчикам использовать общепризнанный экономический потенциал применения пластмасс в массовых технологиях.
Это особенно актуально для тиражируемых в миллионных количествах современных телефонов, компьютеров, светильников и других потребительских приборов, и микроэлектронных устройств (МЭУ). Именно пластмассовые корпуса, монтажные платы и другие многочисленные детали из пластмасс являются в них по существу объединяющей, интегрирующей средой для взаимодействия радиоэлектронных и других функциональных элементов, и потребителя энергии. Массовая доля содержания пластмасс в этих изделиях неуклонно повышается и достигает в некоторых случаях 90-95%. Поэтому понятно было стремление разработчиков попытаться использовать пластмассы и для охлаждения МЭУ.
Конкуренты алюминию
Решение этой проблемы становится возможным в настоящее время после разработки и начала промышленного выпуска т.н. теплорассеивающих (теплопроводящих) полимерных композитов (ТРПК) с теплопроводностью многократно, в десятки и сотни раз превосходящих теплопроводность традиционных пластмасс. Рис. 2 и Рис. 3.
 
Рис. 2
Сравнение способности эффективно отводить тепловую энергию теплорассеивающих и обычных пластмасс.

 



Рис. 3
Иллюстрация способности теплорассеивающих пластмасс минимизировать локальные перегревы и перепады температур.

Такое резкое повышение теплопроводности ТРПК стало возможным за счет подбора специальных технологических добавок, использования наполнителей с высокой теплопроводностью (до 150–250 Вт/м K), специализированного технологического оборудования для их высокого и сверхвысокого наполнения.
В зависимости от наполнителя эти композиты могут либо сохранять свои электроизоляционные свойства либо иметь на 5-10 порядков более низкие поверхностные электрические сопротивления, т.е. одновременно соответствовать требованиям, предъявляемым к антистатическим и электропроводящим пластмассам.
Ряд производителей полимерных композитов специального назначения информировали о начале промышленного выпуска нескольких семейств теплорассеивающих полимерных композитов.
Таблица 1
Производители ТРПК

Торговая марка

Производитель

Теплопроводность,
wt/M K

COOLPOLY

CooLPolymers,USA

1,0- 40,0

LATICONTER

Lati , ITALY

1,0-15,0

FORTRON (*)

TICONA

1,1- 3,0

RTP (99x)

RTP,Imagineering /plast_vs_metall/plastics,USA

1,0-18,0

ПА 6 ЛЭ8

РОССИЯ

1.0-13,0


Рис. 4
Сравнительная способность транспортировать тепло обычных и ТРПК.

Основной сферой применения ТРПК является изготовление термоинтерфейсов изделий, обеспечивающих передачу тепла непосредственно от теплогенерирующего МЭУ в окружающую среду. Типичным представителем термоинтерфейсов являются всем известные металлические (обычно это алюминиевые сплавы) радиаторы охлаждения.
По основным технико-экономическим показателям, за исключением теплопроводности (Таблица 2), ТРПК имеют серьезное преимущество в сравнении с алюминиевыми сплавами.
Что касается теплопроводности, то следует помнить (как показано было выше), что превышение величины λ эф (5-10 Вт/м K ) является технически избыточным, а у большинства  ТРПК теплопроводность превышает эти пороговые  значения.
Таблица 2
Сравнение теплорассеивающих пластмасс и алюминиевых сплавов для изготовления термоинтерфейсов.


Показатель

Алюминиевые сплавы

Теплорассеивающие
полимерные композиты

теплопроводность . wt\m K

50 -100

3-40

сложность конструкции

2D  дизайн

3D  !  дизайн

точность изготовления (качеств.)

средняя

высокая

шероховатость поверхности
Ra , мкм

2,5-1,25

0,63

коэф.лин.термического
расширения,
X 10 -6 K-1

25-30

8-11

усадка при литье, %

0,7-1,3

0,1-0,3

финишная мех.
доработка

требуется

Не требуется

Удельный вес

2,7

1,6-1,8

использования термопаст при монтаже МЭУ

всегда

редко

отн. себестоимость
(при массовом производстве)

1,0

0,4-0,6

ТРПК перерабатываются методом литья под давлением на стандартных термопластавтоматах, из них легко и сразу возможно получить высокоточные, полностью готовые к сборке детали.
В отличие от ТРПК, металлические радиаторы охлаждения в силу применяемых технологий переработки (штамповка или экструдирование, литье) нуждаются в дополнительной механической доработке (распиливании, фрезеровании, шлифовке и т.д.) Эти дополнительные операции весьма трудоемки и увеличивают себестоимость изготовления деталей.
Более низкие усадки и коэффициенты литейного термического расширения у ТРПК позволяют снизить допуски на посадочные места для тепловыделяющих элементов МЭУ. За счет этого уменьшаются воздушные теплоизолирующие зазоры (между тепловыделяющим элементом и радиатором охлаждения), улучшаются условия теплопередачи, отпадает в ряде случаев необходимость применения термопластавтоматов.
Из ТРПК могут быть легко получены изделия практически любой формы (3D дизайн). Это дает возможность разработчику спроектировать более сложную и развитую теплопередающую поверхность радиатора (Рис. 5), а также использовать для этих целей функционально другие детали МЭУ (монтажные планки, ребра жесткости, перегородки, собственно сами корпуса и оболочки устройств и т.д.), создавая по сути интегрированную систему пассивного охлаждения с горазда большей эффективной площадью теплообмена.
Так, разработчики фирмы Apple выполнили термооинтерфейс видеопроцессора в виде элемента внешнего корпуса ноутбука (Рис. 6). Это позволило эффективно охлаждать видеопроцессор без применения вентилятора, повысить стабильность работы ноутбука.
По данным фирмы СооlPolymers, два одинаковых по геометрическим размерам радиатора, изготовленных из алюминия и ТРПК на основе углеродного наполнителя, продемонстрировали в условиях естественного охлаждения практически одинаковую теплопроизводительность, не потребовали дополнительной механической доработки. В итоге (при крупносерийном производстве) радиаторы, изготовленные из ТРПК, стоили почти в два раза меньше, а их вес уменьшился на 40%.

Рис. 5
3D радиатор из  ТРПК.

 

 


Рис. 6
Теплорассеивающая  панель из ТРПК для видеопроцессора ноутбука Apple РПК.

При использовании ТРПК с углеродными наполнителями, имеющими низкое электрическое поверхностное сопротивление, появилась возможность минимизировать так называемый «антенный эффект» от металлических радиаторов, уменьшив тем самым радиозаметность МЭУ.
Важным преимуществом изделий из ТРПК является почти двукратное снижение их веса по сравнению с аналогичными изделиями из алюминия. Это особо важно для носимых МЭУ (рации, фонари на основе LED технологий), снижения полетной массы изделий с применением МЭУ, повышения их виброустойчивости.
Кроме термоинтерфейсов ТРПК находят применение и в других технических приложениях:
катушки, втулки с проволочной намоткой (соленоиды, дроссели, катушки зажигания, детали трансформаторов и т. д.). Выделяющееся при работе этих изделий тепло эффективно рассеивается по всей детали, предотвращая местные перегревы, увеличивая надежность в целом, позволяя уменьшить габариты изделия.
тепловые трубы устройства для эффективной теплопередачи, использующие эффект поглощения и выделения теплоты фазового перехода некоторых жидкостей. Рис. 7.

Рис. 7
Тепловые трубы изготовленные с применением ТРПК.

Из ТРПК изготавливается как теплопоглащающая панель тепловых труб (причем она может одновременно быть гнездом для установки МЭУ), так и теплоизлучающая панель (внутри которой происходит конденсация тепла, а на поверхности внешний теплообмен).
LED  —  светят , ТРПК —  охлаждают.
LED (Light Emitting Diode) (светоизлучающий диод сокр. светодио́д) и светильники на их основе являются вероятно наиболее перспективной и емкой сферой применения ТРПК. Стремительный прогресс в создании все более мощных и миниатюрных светоизлучающих диодов / СИД /создал ситуацию, когда отвод тепла, неизбежно возникающего при работе мощных и сверхмощных СИД, становиться одной из главных проблем для их стабильной работы.
В качестве светоизлучающего элемента в светодиододах используются полупроводниковый кристалл (LED Chip) Рис. 9, преобразующий часть подводимой к нему электрической энергии в световое излучение. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла.
Физика работы полупроводникового кристалла такова, что с повышением температуры кристалла (выше 100°C) его яркость падает, а дальнейшее увеличение температуры приводит к его пробою. Это означает, что поддержание теплового режима работы, отвод излишнего тепла является критически важным условием для работы СИД.
Анализ трех составляющих выделения тепла (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность) для LED показывает, что основное тепло ( >90  %) передается непосредственно от полупроводникового кристалла на его металлическую подложку (корпус лампы) за счет механизма теплопроводности. Лишь 5% тепла уходят в виде теплового (инфракрасного) излучения.

Рис. 8
Стандартная (многокомпонентная) конструкция светодиода.

Буквально с точностью наоборот выделяется тепло в традиционных лампах накаливания, галогеновых лампах. Основное тепло ( >90  %) выделяется в этих светильниках в окружающую среду в виде теплового излучения.
Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы для индустрии LED светильников.
В решении проблемы тепловой стабильности работы LED светильников, как показывает мировой опыт, применение теплорассеивающих полимерных композитов дает возможность повысить надежность их работы, снизить себестоимость их изготовления. При этом использование ТРПК целесообразно как в конструкции самих светодиодов, так и их «обрамлении» термоинтерфейсах, собственно самих светильниках, фонарях.
Применение ТРПК в конструкции LED
Фирма Lynk Labs запатентовала технологию ThermaLynk, использующую ТРПК как конструкционную основу LED Chip (Рис. 8). При этом кристалл размещается непосредственно в монолитном модуле (подложка-радиатор), отлитом из ТРПК. Такое решение резко упрощает традиционную конструкцию (Рис. 9) светодиода, снижает его себестоимость.


Рис. 9
Перспективная (малокомонентная ) конструкция светодиода на базе ТРПК.

Применение ТРПК в термоинтерфейсах LED
Проблема «теплового комфорта» LED особенно остро впоследнее время стоит при проектировании мощных носимых, светильников (фонари, минипрожекторы, сигнальные маяки и т.д.), где использование для охлаждения традиционных металлических радиаторов и рефлекторов приводит к критическому увеличению веса, усложнению и удорожанию конструкции.
ТРПК позволяет решить и эту проблему. Так, например, применение композита LATICONTER с теплопроводностью 10 WT/ m K в фонарях фирмы Fanton SpA позволило создать сверхкомпактный легкий фонарь с световой мощностью 1 500 люкс. В этих изделиях практически отсутствуют металлические комплектующие.
Philips заявил о разработке серии инновационных светильников MR16 на основе трех мощных светодиодов для прямой замены в стандартных 12 вольтовых галогеновых светильниках (Рис. 9).
 
Рис. 9
Светильник MR16 с корпусом из ТРПК.

Форм-фактор этого светильника полностью соответствует 12 вт галогеновым лампам. Практически весь этот светильник сделан из теплорассеивающей пластмассы фирмы DSM (США).
Вышеприведенные примеры отражают лишь малую часть потенциальных областей применения ТРПК в объектах новой техники, и подтверждают мнение авторитетных экспертов, что ТРПК будут одними из самых востребованных в ближайшее десятилетие новых полимерных материалов.


Возврат к списку