Применение теплорассеивающих пластмасс для охлаждения LED-кристаллов


PDF версия

Можно ли заменить алюминий на пластмассу в системах охлаждения LED-кристалла? Можно, но пластмасса нужна не обычная, а теплорассеивающая.

Проблема отвода нежелательного тепла становится в последнее время одной из центральных проблем разработчиков высокомощных светильников на основе LED-технологий. Тепло, выделяющееся при работе генерирующих свет кристаллов, необходимо постоянно отводить в окружающее пространство. В противном случае он перегревается, что резко сокращает ресурс работы кристалла (одно из главных конкурентных преимуществ LED-технологий), приводит к его термическому пробою.

Анализ трех составляющих тепла (см. рис. 1), выделяемого LED-кристаллом (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность), показывает, что основное тепло (> 90%) передается на его металлическую подложку (фрагмент корпуса лампы) за счет теплопроводности. Лишь 5% тепла уходят в виде теплового (инфракрасного) излучения.

Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп накаливания: 90% — излучением, 5% — теплопроводностью (в цоколь).

Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы при проектировании LED-светильников.

В подавляющем большинстве случаев для отвода тепла от кристалла и последующего теплорассеяния используются металлические (как правило, алюминиевые) радиаторы. Казалось бы, позиции алюминия здесь незыблемы и не подлежат пересмотру.

Однако в последнее время у алюминия появился достойный конкурент — пластмасса, но не обычная, а теплорассеивающая. Как показывает мировой опыт, такие пластмассы позволяют не только эффективно охлаждать LED-кристалл, но и существенно уменьшить габариты, вес и себестоимость изготовления светильников на их основе.

Напомним, что пластмассы в силу своей высокомолекулярной структуры плохо проводят тепло. Теплопроводность λ у всех пластмасс практически одинакова и колеблется в узком интервале от 0,1…0,2 Вт/(м∙К). Поэтому все пластмассы относятся к классу теплоизоляторов и успешно используются в многочисленных изделиях, в которых необходимо сохранять тепло.

В изделиях же, в которых, наоборот, необходимо эффективно отводить тепло (системах охлаждения), пластмассы не используют, а применяют хорошо проводящие тепло металлы (железо, алюминий, медь, и т.д.), теплопроводность λ которых достигает значений несколько сотен единиц (200…400 Вт/(м∙К)), что в тысячи раз больше чем у пластмасс.

Такое различие, казалось бы, раз и навсегда устраняет возможность полноценной замены металлов на пластмассы в охлаждающих устройствах. Однако корректный теплофизический анализ процессов охлаждения и современные успехи в области полимерных композитов сделали такую возможность реальной.

Рис.1.Различие в механизмах тепловыделения при работе традиционных ламп накаливания и LED-ламп

Механизм охлаждения

Подавляющее большинство охлаждающих устройств LED-кристаллов относится к устройствам с т.н. естественным охлаждением, в которых конечным потребителем выделяемого ими тепла является окружающий воздух. Он обтекает охлаждаемую поверхность за счет сил естественной (природной) конвекции. Естественная конвекция заключается в непрерывном процессе подхода «холодных» частиц воздуха (точнее, составляющих его молекул азота, кислорода, углекислого газа) к поверхности теплообменника и их последующего (локального) нагрева. Нагретые частицы воздуха характеризуются большим удельным объемом и, подобно воздушному шару, перемещаются вверх, освобождая место для новых, холодных частиц воздуха. Полученное тепло постепенно, за счет многократных столкновений отдается (рассеивается) соседним частицам воздуха. Окружающий воздух, таким образом, играет роль своеобразного «теплового насоса».

Физика процесса теплорассеяния такова, что количество поглощаемого воздухом тепла определяется параметрами воздуха (температуры, влажности, скорости), а не материала, из которого изготовлена теплорассеивающая поверхность Строгий теплофизический расчет показывает, что именно теплорассеяние в пограничных слоях воздуха является ограничивающей стадией теплообмена в системе «генератор тепла — воздух». Окружающий воздух просто не в состоянии рассеять (принять) более 5…10 Вт тепловой энергии с единичной поверхности теплообмена. Другими словами, воздушный «тепловой насос» имеет вполне ограниченную производительность.

Из этого следует, что при выборе материала для теплорассеивающих устройств необходимо принимать во внимание, что теплопроводность λ материала в 5…10 Вт/(м∙К) необходима и достаточна, чтобы передать на поверхность охлаждения все тепло, которое может быть принято окружающим воздухом, а применение материалов с большей теплопроводностью является технически избыточным.

Для вновь разрабатываемых охлаждающих материалов (в т.ч. полимерных) это означает, что уже 10—20-кратное увеличение их теплопроводности по сравнению с обычными пластмассами (т.е. достижение ими теплопроводности в 5…10 Вт/(м∙К)) должно обеспечить изготовленным из них радиаторам такую же теплорассеивающую способность, что и у радиаторов из алюминия.

Новая специальность пластмасс — охлаждение

Эти теоретические выводы были экспериментально подтверждены лишь в последнее время, после того как были разработаны рецептуры и технологии промышленного получения нового класса полимерных композитов — теплорассеивающих (теплопроводящих) полимерных композитов (ТРПК).

ТРПК — это гранулированная пластмасса, перерабатываемая на стандартных термопластавтоматах в любые изделия. От обычных пластмасс она отличается способностью принципиально лучше (в 10—100 раз) проводить через себя тепло и передавать его (рассеивать) в окружающую среду.

На рисунке 2 и в таблице 1 приведены экспериментальные результаты сравнительных тепловых испытаний одинаковых по форме и размерам изделий, изготовленных из алюминия и ТРПК. Видно, что тепловые параметры охлаждения у них практически одинаковы, несмотря на различие в уровне теплопроводностей более чем в 30 раз! Эти результаты полностью подтверждают теоретические выводы о том, что увеличение теплопроводности свыше н екоторых «предельных» значений (5…10 Вт/(м∙К)) практически не приводит к увеличению эффективности охлаждения.

Из приведенных результатов следует, что теплопроводящая способность алюминия реально востребована в системах естественного охлаждения всего лишь на 5%!

 

Таблица 1. Экспериментальное сравнение (LG, Корея) температурных полей светильника формата МR16 с радиаторами охлаждения,
изготовленными из алюминия и ТРПК марки «ТЕПЛОСТОК» (теплопроводность 5…10 Вт/(м∙К)) фирмы СПЕЦПЛАСТ-М, (Россия)

Материал радиатора

Температура, °С

Макс. перепад температур светильника ∆Т, °С

Температура перехода LED-кристалла Ткр, °С

Температура поверхности
корпуса-радиатора Трад, °С

Алюминий

99,8

75,8

24

Теплорассеивающая пластмасса «Теплосток»

101,1

76,7

24,4

Рис. 2. Экспериментальное сравнение характеристик охлаждения радиаторов из алюминия и ТРПК марки CoolPoly (теплопроводность 10…20 Вт/(м∙К)) фирмы CoolPolymers

 

Теплорассеивающие пластмассы — конкуренты алюминия

При практически одинаковой теплорассеивающей способности ТРПК по ряду технико-экономических характеристик имеют следующие значительные преимущества перед алюминием.

Изделия из ТРПК в среднем на 40% легче аналогичных алюминиевых (удельный вес ТРПК колеблется в интервале 1,4…1,7 г/см3). Это позволяет существенно уменьшить полетный вес ряда ответственных изделий, снизить вес оборудования связи, высокомощных фонарей подсветки и т.д., изготовленных из ТРПК.

Изделия из ТРПК получаются гораздо точнее, чем детали, отлитые из алюминия (пластмассы перерабатываются методом литья под давлением, имеют меньшую усадку (0,1—0,3%) по сравнению с алюминиевым литьем (0,7—1,3%). Поверхность их литья не шероховатая, а имеет «зеркальное» качество. Они не требуют какой-либо постфинишной доработки (удаление литников, сверление, фрезерование, шлифовка посадочных мест и т.д.), полностью готовы к сборке.

Из ТРПК легко изготовить изделия сложной формы с повышенной теплорассеивающей эффективностью (литье ТРПК под давлением позволяет легко получать высокоточные разнотолщинные изделия самой сложной формы — т.н. 3D-дизайн, в отличие от большинства алюминиевых изделий получаемых экструзией — 2D-дизайн). Переход к оптимизированным в 3D формате теплообменным конструкциям позволяет существенно улучшить их теплорассеивающие характеристики.

Из ТРПК могут быть спроектированы и изготовлены детали конструкции двойного назначения: с одной стороны, это всевозможные корпуса, оболочки, монтажные стойки, переходники и другие детали; с другой стороны, это эффективные теплорассеивающие поверхности (см. рис. 3).

Стоимость деталей из ТРПК существенно ниже (в 2—3 раза), чем аналогичных деталей из алюминия. Например, стоимость 1 см3 детали высокоточного алюминиевого литья колеблется от 1 до 1,5 руб. и выше. Расходы на постфинишную механическую и химическую (окраска в оптимальный для теплопередачи излучением черный цвет) доработку составляют в среднем 0,1—0,3 руб. в расчете на 1 см3 детали. В то же время стоимость 1см3 деталей из ТРПК составляет лишь 0,4—0,7 руб. за 1 см3 литья (при этом сразу получается высокоточная, полностью готовая к сборке деталь).

Рис. 3. Деталь двойного назначения ноутбука Apple из ТРПК: внешний элемент корпуса –теплорассеивающая панель радиатора охлаждения видеопроцессора

 

Организация охлаждения LED-кристаллов с применением теплорассеивающих пластмасс

В зависимости от степени интеграции LED-кристалла с деталями светильников, изготовленными из ТРПК, можно условно рассматривать три уровня применения ТРПК в этих изделиях.

Начальный уровень состоит в прямой замене металлических сплавов (в существующих конструкциях радиаторов охлаждения) на теплорассеивающие пластмассы (см. рис. 4). Это позволяет не только существенно снизить вес, стоимость, но и позволяет за счет грамотного конструирования существенно увеличить теплопроизводительность радиатора при сохранении установочных габаритов. Классический пример: переход от традиционной ребристой (пластинчатой) конструкции радиаторов к игольчатой (штырьковой) конструкции увеличивает эффективность охлаждения радиатора на 60—100%. Для вновь разрабатываемых конструкций радиаторов из ТРПК представляется возможным дополнительно увеличить эффективность охлаждения за счет максимально полного использования «свободных» объемов конкретных конструкций светильников, например, при переходе от классической квадратной на круглые, овальные и другие формы (см. рис. 5).

Оптимальный уровень соответствует современному уров-
ню внедрения ТРПК и характеризуется применением в LED-светильниках максимально возможного количества деталей «двойного» назначения, изготовленных из ТРПК. Это могут быть как фрагменты корпуса, как, например, у светильников формата MR16 (производятся Phillips, разрабатываются фирмой LG), так и целые корпуса (см. рис. 6), полностью изготовленные из теплорассеивающих пластмасс. Светодиоды в этих конструкциях непосредственно закреплены в отлитые с малыми допусками гнезда внутри корпуса. Внешняя поверхность этих корпусов в районе крепления светодиодов выполнена в виде ребер. Выделяемое светодиодом тепло кратчайшим путем выводится на развитую внешнюю теплорассеивающую поверхность. Весь корпус фонаря фактически выполняет в данном случае функцию радиатора охлаждения.

Перспективный уровень подразумевает самую тесную интеграцию, непосредственное расположение светодиодного кристалла на поверхности некоторого изделия из ТРПК.

Это может быть, например, специализированная монтажная (печатная плата), внешняя сторона которой выполнена в виде ребристого (либо игольчатого) радиатора. Такая плата может быть использована непосредственно как фрагмент внешней поверхности корпуса светильника. При этом минимизируется тепловое сопротивление конструкции, снижается ее себестоимость.

Развитием такого подхода могло бы быть расположение LED-кристалла внутри некоторого модуля, выполненного из ТРПК (см. рис. 7).

Этот модуль должен выполнять одновременно несколько функций:

– эффективно (в силу малого теплового сопротивления конструкции) рассеивать, практически по всем направлениям, генерируемое кристаллом тепло;

– управлять (за счет рефлектора) световым потоком;

– выполнять роль «гибкой» стандартизированной монтажной среды (эти модули можно легко объединить по принципу конструктора LEGO друг с другом в любой конфигурации, образуя при этом светодиодный кластер требуемой мощности).

Переход к малооперационной сборке и уменьшение номенклатуры используемых материалов может обеспечить при серийном производстве принципиальное снижение себестоимости светодиодных источников света и расширить возможности разработчиков светильников на их основе.

Рис. 4. Охлаждение платы с LED-кристаллами с помощью радиатора из ТРПК

 

Рис. 5. Цилиндрический радиатор мощного ручного прожектора, изготовленный из ТРПК

 

Рис. 6. Корпуса светильников Fanton SpA, полностью изготовленные из ТРПК

 

Рис. 7. а) традиционная технология (многооперационная сборка) — 6 материалов, 6 технологий; б) интегрированный модуль (малооперационная сборка) на основе ТРПК — 3материала, 2 технологии

Современное состояние рынка ТРПК

Усиление патентной активности в деле создания и применения ТРПК наблюдается уже последние 5—6 лет. Первые ТРПК на рынке появились 2—3 года назад. Лидерами продаж являются американские производители.

Многократное повышение теплопроводности у ТРПК стало возможным за счет использования наполнителей с высокой теплопроводностью (до 200 Вт/(м∙K)), подбора специальных технологических добавок, специализированного технологического оборудования для высокого и сверхвысокого наполнения пластмасс.

В зависимости от наполнителя эти пластмассы 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. Такое сочетание явилось весьма востребованным, т.к. у радиаторов, изготовленных из частично электропроводных ТРПК, отсутствует т.н. «антенный эффект» (характерный для алюминиевых радиаторов). Изделия специальной техники с такими радиаторами имеют гораздо более низкий уровень радиозаметности, с них существенно затруднен несанкционированный сбор информации.

Ряд производителей полимерных композитов специального назначения информировал о начале промышленного выпуска нескольких семейств ТРПК (см. табл. 2).

Как правило, в качестве полимерной матрицы в этих ТРПК используются высокотемпературные полимеры (полиамид, полифениленсульфид).

Перспективным направлением является разработка ТРПК на основе т.н. термоэластичных полимеров. Из таких резиноподобных ТРПК изготавливаются тонкие пластины (прокладки), которые размещаются взамен традиционных термопаст в неизбежно возникающих при монтаже воздушных зазорах. Воздух в зазорах являясь теплоизолятором и препятствует прохождению тепла, а пластины из ТРПК играют роль своеобразных тепловых мостиков, дополнительно снижают тепловое сопротивление системы. Прокладки из термопластичных ТРПК технологичны, дешевле и долговечнее большинства термопаст. Из таких ТРПК легко могут быть также отлиты сложные 3D-изделия, эффективно «выбирающие» воздушные зазоры в трех направлениях.

Таблица 2. Производители ТРПК

Торговая марка

Производитель

Теплопроводность, Вт/(м∙К)

CoolPoly

CooLPolymers, США

1,0–40,0

LATICONTER

Lati, Италия

1,0–15,0

Fortron (*)

TICONA

1,1–3,0

RTP (99x)

RTP, Imagineering Plastics, США

1,0–18,0

«Теплосток», «Тепломост»

СПЕЦПЛАСТ-М, Россия

1,0–13,0

Выводы

В заключение следует отметить, что кроме LED-технологий теплорассеивающие пластмассы уже находят и будут находить применение везде, где имеется необходимость управления процессами передачи тепла: интегрированные системы охлаждения с низким уровнем радиозаметности для микроэлектронных устройств; миниатюрные шаговые электродвигатели; малогабаритные тепломассобменные устройства, в т.ч. «тепловые трубы»; химстойкие, повышенной надежности высоконагруженные узлы трения; низкобюджетные солнечные коллекторы; кристаллизаторы для пищевой и биохимической промышленности и ряд других технических приложений гражданских и специальных технологий.

Александр Криваткин

1941 г.р, к. т.н., доцент , «Изобретатель СССР», окончил Горьковский политехнический институт, специализация — «Полимерные композиционные материалы», Генеральный директор ООО «СПЕЦПЛАСТ-М».

Юрий Сакуненко

1946 г.р.,к.т.н., «Изобретатель СССР», окончил Московский энергетический институт, специализация — «Специальные полимерные материалы», заместитель Генерального директора ООО «СПЕЦПЛАСТ-М».

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *