Термическое сопротивление

Согласно уравнению теплопередачи теплопроводностью через плоскую стенку (прокладку) количество тепла, переданного в единицу времени (тепловой поток) ΔQ, Вт, прямо пропорционально разности температур теплоотдающей T_1S, °С, и теплопринимающей T_2S, °С, поверхностей, прямо пропорционально площади поверхности теплопередачи (прокладки) F, м², и обратно пропорционально суммарному удельному термическому сопротивлению теплопередаче R, (К·м²)/Вт:

Суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R в данном случае согласно правилу аддитивности термических сопротивлений состоит из трех составляющих: термического сопротивления на границе «теплоотдающая контактная поверхность — поверхность прокладки» R_1S, термического сопротивления, зависящего от толщины δ и теплопроводности λ материала прокладки δ/λ, а также термического сопротивления на границе «прокладка — теплопринимающая контактная поверхность» R_2S (см. рис. 2):

Построив по результатам испытаний (ASTM D 5470, ASTM E 1350) линейную зависимость R=ƒ(δ) для данной марки КПТД — материала возможно определить суммарное удельное контактное термическое сопротивление на границе «контактная поверхность-материал» R_S= R_1S + R_2S экстраполируя график до точки δ = 0, а также определить истинную теплопроводность материала прокладки λ, Вт/(м·К):

Определив экспериментальным путем для различных материалов значения R_S и λ возможно достаточно точно рассчитать суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R (К·м²)/Вт, и, зная площадь поверхности прокладки F, вычислить ее термическое сопротивление R_F, К/Вт, при различных толщинах материала:

Рисунок  2 – Определение удельного термического сопротивления прокладки

Структура прокладки с армирующей стеклянной сеткой

Ниже на диаграмме (рис. 3) приведены значения суммарного удельного термического сопротивления R КПТД-материалов, определенные в сопоставимых условиях эксплуатации данных видов материалов.

Для компаундов КПТД-1 номинальная толщина слоя при вклеивании радиатора на теплоотдающую поверхность прибора составляла δ = 0,1 ± 0,05 мм, листовые материалы КПТД-2 испытывались при номинальной толщине листа δ = 0,2 ± 0,015 мм, толщина остаточного слоя термопаст КПТД-3 при испытаниях составляла 20-35 мкм. Результаты получены при напряжении сжатия прижимных поверхностей P = 0,69 MПa (100 psi), температуре материала 80-110°С и плотности теплового потока 4,5-9 Вт/см². Прижимные поверхности были выполнены согласно ASTM D 5470, ASTM E 1350 в виде дисков диаметром 32 мм (поверхность теплопередачи F = 8,04 cm², формат прокладки Т0-3), а также в виде дисков диаметром 50 мм.

Результаты измерений показали, что термопасты КПТД-3 при сжатии формируют минимальную толщину слоя теплопроводящего материала за счет вязко-пластичных свойств и при этом за счет высокой адгезии и комформности к поверхности обеспечивают минимальное суммарное контактное термическое сопротивление на уровне R_S = 0,045 — 0,055 (К·см²)/Вт. При заливке компаундами КПТД-1 с последующим сжатием после полимеризации комформность материала к поверхности несколько снижается в сравнении с термопастами, а контактное термическое сопротивление увеличивается: R_S = 0,17 — 0,22 (К·см²)/Вт.

Далее по степени конформности к контактной поверхности следуют листовые материалы с повышенной эластичностью КПТД-2М: R_S = 0,19 — 0,23 (К·см²)/Вт. Нанесение на поверхность стандартного листового материала КПТД-2 липкого клеящего слоя (ЛК) или липкой позиционирующей смазки (ЛП) также увеличивает комформность в сравнении с материалом без липкого слоя, и при этом R_S = 0,55 — 0,80 (К·см²)/Вт. Для стандартного эластичного листового материала КПТД-2 без липкого слоя R_S = 0,90 — 1,05 (К·см²)/Вт.

Таким образом, на основании полученных результатов, величину суммарного удельного контактного сопротивления RS следует считать достаточно объективным сравнительным показателем комформности КПТД-материалов к контактной поверхности. В представленных ниже материалах данный показатель используется для оценочного расчета термического сопротивления теплопроводящих материалов КПТД.

Рисунок 3 – Диаграмма термических сопротивлений КПТД материалов