"Теплосток Пластик " теплорассеивающие (теплопроводящие ) пластмассы

немного теории

Для абсолютного большинства пластмасс значения коэффициента теплопроводности (параметра , характеризующего способность вещества проводить через себя тепло ) изменяются весьма незначительно ( 0,1-0,3 wt\mK ).Рис1

Пластмассы относятся к классу теплоизоляторов .

С одной стороны теплоизолирующие свойства пластмасс с успехом используются в различных технических приложениях,
с другой стороны они являются тормозом к их еще большему внедрению в ряде приложений быстро прогрессирующих областей современной техники (микроэлектроники и электротехники ) .


Одной из центральных проблем здесь является охлаждение -отвод тепла , образующегося при работе многочисленных электронных элементов ( силовые диоды, вычислительные процессоры, и др ).
В подавляющем большинстве случаев для их охлаждения используются т.н. пассивные ( естественные ) системы охлаждения без вентиляторов , выполненные в виде металлических ( как правило алюминиевых ) радиаторов.


Для охлаждения любого , выделяющего тепло устройства необходимо:

вначале отвести от него на некоторое расстояние это тепло ,

а затем отдать ( рассеять) его в окружающей среде (как правило это воздух)
.
Физика и механизмы этих двух взаимосвязанных процессов теплопередачи принципиально различны: первый описывается законами теплопроводности , второй законами конвекции

. Естественная конвекция состоит из непрерывного процесса подхода к поверхности радиатора "холодных" частиц воздуха и их локального нагрева .
Нагретые частицы воздуха ( они характеризуются большим удельным объёмом ) перемещаются вверх , освобождая место для новых , холодных частиц воздуха.
Полученное при этом тепло в дальнейшем постепенно отдается ( рассеивается ) , за счет многократных столкновений с более отдаленными соседними частицам воздуха.

Окружающий воздух играет таким образом роль с воеобразного "теплорассеивающего насоса"

Процесс поглощении тепла воздухом определяется в первую очередь параметрами т.н пограничного слоя охлаждающего воздуха ( т.е. его температурой, влажностью , скоростью обтекания ) .

Теплопроводность материала на поверхности которого происходит теплообмен влияет на количества поглощенного воздухом тепла опосредственно , за счет изменения температуры поверхности теплообмена ,
Величина теплового трансфера имееет нелинейный характер зависимости от теплопроводности с ярковыраженной асимптотой. .



Как показывает строгий теплофизический расчет , в условиях естественной конвекци воздух просто не в состоянии рассеять ( принять) более 5-10 wt тепловой энергии с единичной поверхности теплообмена.


Другими словами воздушный "теплорассивающий насос" имеет вполне ограниченную производительность . а при выборе материала для радиаторов следует учитывать ,что теплопроводность материала в интервале 5-10 wt/mK необходима и достаточна , чтобы передать на поверхность охлаждения всё тепло, которое максимально может быть принято окружающим воздухом .

Следствие: применение для радиаторов материалов с теплопроводностью превышающей пороговые значения (5-10wt/mK ) является технически избыточным .


Этот вывод иллюстрирует таблица корректного расчета "рабочей" температуры Траб источника с тепловыделением мощностью в 6 ватт.
Он охлаждается радиатором с 6 ребрами ( 50х52х30 мм ).
Рассчитывались варианты с разными значениями теплопроводности материала радиатора

Первое увеличение теплопроводности в 40 раз
( от 0,15 до 7 вт/мК )приводит к уменьшению рабочей температуры почти на 100 грС - значительный технический эффект

Последующее увеличение теплопроводности еще в 40 раз ( от 10 до 400 вт/мК ) уменьшает рабочую температуру источника всего лишь на 7 гр С - незначительный технический эффект



.

экспериментальная проверка

Ниже приведены некоторые экспериментальные результаты тепловых испытаний одинаковых по форме и размерам радиаторов охлаждения изготовленных из алюминия и теплорассеивающих пластмасс с теплопроводностью 5-10 вт/мК .






Тепловые сопротивления радиаторов из алюминия и теплорассеивающей пластмассы марки "CoolPoly" фирмы CoolPolymers (США)
при разных скоростях обтекания воздухом

Температурные поля (по данным фирмы LG,Корея ) светильника формата МR16 с радиаторами охлаждения , изготовленными из алюминия и теплорассеивающей пластмассы марки "ТЕПЛОСТОК" (Россия) .

Классический эксперимент по сравнению тепловых характеристик алюминия и теплорассеивающих пластмасс в режиме естественного охлаждения был проведен группой профессора Кисеева В.М. ( Уральский госуниверситет ) в рамках разработки высокоэффективной системы охлаждения светодиодных светильников на базе тепловых труб (контурных термосифонов).

Из алюминия и теплорассеивающей пластмассы "ТЕПЛОСТОК" были изготовлены одинаковые по размерам радиаторы охлаждения внутри которых были вмонтированы медные трубки ( по ним на входе поступал теплоноситель в виде пара с температурой Tv ,который сконденсировавшись и отдав теплоту кондесации выходил в виде конденсата с температурой Tl

Ключевой характеристикой эффективности охлаждения сравниваемых радиаторов принималась температура Th теплогенерирующего устройства ( в данном случае кластера светодиодов ).

Основной вывод исследования - обе конструкции продемонстрировали близкие теплорассеивающие характеристики , а "рабочие" температуры LED кристаллов Тh отличались в среднем на 5-8 гр С ( на 7-10 % по шкале цельсия ) или на 2-3 % !! ( по абсолютной величине )

Сотрудники "Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий Национальной академии наук Беларуси" www.lightbyled.biz
исследовали тепловые радиаторы из алюминия (слева рис ниже) и теплорассеивающей пластмассы " ТЕПЛОСТОК" .Оба радиатора имели одинаковую теплотдающую поверхность. На них были установлены одинаковые монтажныеи платы с тремя светодиодами
На следующих рисунках представлены тепловизионный снимок этих плат с радиаторами и графики изменения температур LED кристалла и поверхности радиаторов при работе в течении часа.



Экспериментаторы пришли к выводу , что способность рассеивать тепло радиатора из теплорассеивающей пластмассы почти такая же, как у аналогичного алюминиевого радиатора, и это несмотря на различие в уровне теплопроводностей более чем в 30 раз.

Эти и ряд других экспериментальных результатов подтверждают теоретические выводы : что

что увеличение теплопроводности материалов радиатора свыше некоторых " предельных" значений ( 5-10 wt/mK ) практически не влияет на эффективность охлаждения .

итоги:

Теплорассеивающие пластмассы - реальная альтернатива металлам в системах естественного охлаждения. -