Технологии

В отличие от ТРПК, металлические радиаторы в силу применяемых технологий переработки (штамповка, экструдирование, литье) нуждаются в дополнительной механической доработке — дополнительные операции трудоемки и увеличивают себестоимость изготовления деталей. Более низкие усадки и коэффициенты линейного термического расширения у ТРПК позволяют снизить допуски на посадочные места для тепловыделяющих элементов МЭУ. За счет этого уменьшаются воздушные теплоизолирующие зазоры, улучшаются условия теплопередачи, отпадает в ряде случаев необходимость применения термопаст. Принципиально важно, что из ТРПК в силу применяемой технологии их пе-реработки могут быть легко получены изделия практически любой формы (3D дизайн). Это дает возможность разработчику спроектировать более сложную и развитую теплопередающую поверхность радиатора. При этом появляется возможность также дополнительно использовать для охлаждения функционально другие детали МЭУ, собственно, сами корпуса и оболочки устройств, изготовленные из ТРПК). Создавая, по сути, интегрированную систему пассивного охлаждения с гораздо большей эффективной площадью теплообмена. Так поступили разработчики фирмы Apple, изготовившие из ТРПК термоинтерфейс видеопроцессора в виде элемента внешнего корпуса ноутбука. Это позволило эффективно охлаждать видеопроцессор без применения вентилятора, повысить ста-бильность работы ноутбука.

Еще одно преимущество — почти двукратное снижение веса по сравнению с анало-гичными изделиями из алюминия, и четырехкратное — с изделиями из нержавеющей стали. Это особо актуально для носимых МЭУ (рации, фонари на основе LED технологий), снижения полетной массы изделий с применением МЭУ, повышения их виброустойчивости

При использовании ТРПК с углеродными наполнителями, имеющими низкое электрическое поверхностное сопротивление, появилась возможность минимизировать т.н. «антенный эффект» от металлических радиаторов, существенно снизив радиозаметность МЭУ.

По данным СооlPolymers, два одинаковых по геометрическим размерам радиатора, изготовленных из алюминия, и ТРПК на основе углеродного наполнителя продемонстрировали в условиях естественного охлаждения практически одинаковую теплопроизводительность — изделия из ТРПК 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%.

Кроме термоинтерфейсов ТРПК находят применение и в других технических приложениях: катушки, втулки с проволочной намоткой. Выделяющееся при их работе тепло эффективно рассеивается по всей детали, предотвращая местные перегревы, увеличивая надежность в целом, позволяя уменьшить габариты изделия. Из ТРПК изготавливается как теплопоглощающая панель тепловых труб (причем она может одновременно быть гнездом для установки МЭУ), так и теплоизлучающая панель (внутри которой происходит конденсация рабочего тепла, а на поверхности внешний теплообмен).
LED (Light Emitting Diode) (светоизлучающий диод, сокр. светодиод) и светильники на их основе являются, вероятно, наиболее перспективной и емкой сферой примене-ния 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, становится одной из глав-ных проблем для их стабильной работы. В качестве светоизлучающего элемента в светодиодах используется полупроводниковый кристалл (LED Chip), 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 (выше 100°C) кристалла его яркость падает, а дальнейшее увеличение температуры приводит к его пробою. Это означает, что отвод излишнего тепла является критически важным условием для работы СИД. Анализ для LED трех составляющих выделяющегося тепла (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность) показывает, что основное тепло (>90%) передается от полупроводникового кристалла на его металлическую подложку (корпус лампы) за счет теплопроводности. Лишь 5% тепла уходит в виде теплового (инфракрасного) излучения.

С точностью до наоборот выделяется тепло у ламп накаливания, галогеновых ламп. Основное тепло (>90%) выделяется в этих лампах в виде теплового излучения и лишь 5% за счет теплопроводности.

Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по под-держанию теплового режима ламп накаливания абсолютно неприемлемы при проектировании LED светильников. При этом использование ТРПК целесообразно как в конструкции самих светодиодов, так и в их тепловом «обрамлении» — термоинтерфейсах, собственно, самих светильниках, фонарях.

Фирма Lynk Labs запатентовала технологию ThermaLynk, использующую ТРПК как конструкционную основу LED Chip. При этом кристалл размещается непосредственно в монолитном модуле (подложка-радиатор), отлитом из ТРПК. Такое решение резко упрощает традиционную конструкцию светодиода, сокращает количество его комплектующих. В этой конструкции тепло от кристалла напрямую без всяких промежуточных элементов передается и рассеивается лишь одним элементом, изготовленным из ТРПК. Конкретная форма, размеры теплопередающих ребер могут легко варьироваться и быть «заточены» под конкретное применение. Вполне понятно, что такой подход снижает себестоимость светодиода, позволяет повысить мощность излучения света.

Стабильно наблюдаемая тенденция к увеличению мощности светового излучения ставит проблему «теплового комфорта» LED в ряд главных задач при проектировании светильников на их основе. Особенно остро проблема теплоотвода стоит при проектировании мощных носимых светильников, где использование для охлаждения традиционных металлических радиаторов и рефлекторов приводит к критическому увеличению веса, усложнению и удорожанию конструкции.

ТРПК позволяет решать и эту проблему. Проектировщики объединяют в одном легко отливаемом моноблоке из ТРПК выполнение одновременно трех функций: концентрацию светового потока в нужном направлении (функция светоотражателя), рассеяние тепловой энергии (функция радиатора) и, наконец, материала для изготовления корпуса светильников (функция интегрирующей среды). При таком подходе не только увеличивается площадь теплообмена с воздухом, но и уменьшаются тепловые сопротивления системы за счет уменьшения как количества воздушных зазоров, так и их размеров.

Так, например, применение композита LATICONTER с теплопроводностью 10 Вт/м K в фонарях фирмы Fanton SpA позволило создать сверхкомпактный легкий фо-нарь со световой мощностью 1500 люкс (световод конуса 65° на расстоянии 0,5 м). В них практически отсутствуют металлические комплектующие. Philips заявил о разработке серии инновационных светильников MR16 на основе трех мощных светодиодов для прямой замены в стандартных 12 вольтовых сетях менее экономичных галогеновых светильников.

Форм-фактор этого светильника полностью соответствует 12 вт галогеновым лампам. Корпус светильника выполнен из теплорассеивающей пластмассы фирмы DSM (США).

Все эти примеры отражают лишь часть потенциальных областей применения ТРПК в объектах новой техники и подтверждают мнение авторитетных экспертов, что ТРПК будут в ближайшее десятилетие одними из самых востребованных новых по-лимерных материалов.

Александр Криваткин, к.т.н.
Юрий Сакуненко, к.т.н.
ООО «СПЕЦПЛАСТ-М»