КПТД-2/3

Модель расчёта

Для оценки теплопроводящих свойств применяется математическая модель расчета термического сопротивления, представленная в разделе «Термическое сопротивление КПТД-материалов». В данном случае суммарное удельное термическое сопротивление теплопередаче R включает термическое сопротивление на границе «теплоотдающая контактная поверхность – поверхность прокладки» R1S, термическое сопротивление, зависящее от толщины δ и теплопроводности λ материала прокладки δ/λ, а также термическое сопротивление на границе «поверхность прокладки – теплопринимающая контактная поверхность» R2S.

Следует отметить, что за счет конформной поверхности и эластичности термическое сопротивление материалов КПТД-2 стабилизируется уже при напряжении сжатия 0,5 – 0,7 МПа. При применении одностороннего липкого слоя (ЛК) или позиционирующей смазки (ЛП) суммарное удельное контактное термическое сопротивление уменьшается (см. величину R0S).

Коэффициенты и данные

Ниже представлены расчетные значения термических сопротивлений типовых прокладок для различных марок материалов КПТД-2, полученные при следующих значениях эмпирических коэффициентов:

• Материал листовой КПТД-2/1: RS = 0,90 (К⋅см²)/Вт, R0S = 0,58 (К⋅см²)/Вт, λ = 0,87 Вт/(м⋅K);
• Материал листовой КПТД-2/2: RS = 1,03 (К⋅см²)/Вт, R0S = 0,79 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,14 Вт/(м⋅K);
• Материал листовой КПТД-2/3: RS = 0,97 (К⋅см²)/Вт, R0S = 0,67 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,44 Вт/(м⋅K);

Представленная выше математическая модель расчета термического сопротивления листовых материалов КПТД-2 при напряжениях сжатия в пределах 0,5 – 1,7 МПа дает хорошую сходимость результатов при соблюдении требований к сжимающим контактным поверхностям.

Пример выбора

Пример. Силовой элемент (диод) с целью отвода выделяемого тепла устанавливается на алюминиевый радиатор через теплопроводящую электроизолирующую прокладку 2А4229 (ТО-3), выполненную из материала КПТД-2/1 – 0,20. Требуется определить термическое сопротивление прокладки RF для оценки достаточности теплоотвода, а также рассчитать перепад температур ΔT между корпусом диода и радиатором при значении отводимой тепловой мощности Q = 25 Вт.

1. По маркировке материала принимаем исходную толщину прокладки δ0 = 0,20 мм;
2. Определяем площадь контактной поверхности прокладки F = 7,99 см²;
3. Принимаем значения RS = 0,90 (К⋅см²)/Вт, λ = 0,87 Вт/(м⋅K) для материала КПТД-2/1;
4. Принимаем напряжение сжатия прокладки σ = 0,7 МПа, модуль упругости E = 157,8 МПа/мм и рассчитываем ее остаточную толщину при сжатии: δ = 0,196 мм;
5. Рассчитываем удельное термическое сопротивление R = RS + δ / λ, R = 3,15 (К⋅см²)/Вт;
6. Определяем термическое сопротивление прокладки RF = 0,394 К/Вт;
7. Рассчитываем перепад температур: ΔT = RF ⋅ Q = 9,85 °С.

Итоговые рекомендации

Альтернативный расчёт для того же примера:

• При применении материала КПТД-2/3 – 0,20-ЛК: R0S = 0,67 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,44 Вт/(м⋅K); R = 2,03 (К⋅см²)/Вт, RF = 0,254 К/Вт, ΔT = 6,35 °С
• При применении материала КПТД-2М/3 – 0,20: R0S = 0,19 (К⋅см²)/Вт, λ = 1,44 Вт/(м⋅K); R = 1,53 (К⋅см²)/Вт, RF = 0,191 К/Вт, ΔT = 4,79 °С

Вывод: Для одной и той же задачи (прокладка 2А4229, Q=25 Вт) использование материалов с более высокой теплопроводностью (КПТД-2/3) и улучшенным контактным слоем (ЛК или модификация «М») позволяет значительно снизить термическое сопротивление и перепад температур — с 9,85°C до 4,79°C, то есть более чем в 2 раза.

1. Листовой материал КПТД-2 и изделия из него (прокладки и подложки) используются в состоянии поставки. Перед применением снимите защитную полимерную пленку с поверхности материала.
2. Определите требуемое усилие сжатия контактных поверхностей, между которыми устанавливается прокладка. При этом следует учитывать, что номинальное рабочее напряжение сжатия (МПа) определяет допустимую относительную деформацию листа материала в пределах от 10% до 50 % от его исходной толщины, при которой изготовителем гарантируются прочностные, электроизоляционные и теплопроводящие свойства, представленные в таблице «Технические характеристики».
3. Предельное напряжение сжатия определяет относительную деформацию материала в пределах до 50% от его исходной толщины, при которой не происходит потеря эластичности. При снятии напряжения сжатия материал восстанавливается до исходной толщины и сохраняет свои свойства. Не допускается эксплуатация прокладок из материала КПТД-2 при превышении предельного напряжения сжатия.
4. Качество сжимающих поверхностей прибора и радиатора для достижения нормируемых теплопередающих свойств прокладки должно соответствовать ГОСТ 265. Шероховатость сжимающих поверхностей не должна превышать Ra = 0,63 мкм по ГОСТ 2789. Отклонение геометрии сжимающих поверхностей по плоскостности и параллельности должно быть не выше степени точности 7 по ГОСТ 24643. Наличие заусениц и других дефектов на контактных поверхностях может нарушить целостность прокладки и, соответственно, требуемую электрическую изоляцию.
5. Эффективность отвода тепла через прокладку из материала КПТД-2 определяется усилием сжатия поверхностей прибора и радиатора, их плоскостностью и параллельностью при сборке, а также наличием остаточных воздушных полостей между прокладкой и прижимными поверхностями. С целью максимального выдавливания воздушных полостей рекомендуется приложить прокладку глянцевой поверхностью или поверхностью с липким слоем к наиболее качественной прижимной поверхности и прикатать резиновым валиком.
6. Для изоляции полупроводниковых приборов от корпуса радиатора при креплении винтами используйте втулки изолирующие М2,5 и М3 из термостойкого полиамида.
7. В случае применения прокладок большого формата с площадью поверхности от 20 до 1200 см² часто возникает проблема качественной подготовки контактных поверхностей. При этом толщины и эластичности прокладки бывает недостаточно, чтобы при сжатии компенсировать дефекты самих поверхностей, а также их плоскостность и параллельность при сборке. Чтобы не увеличивать толщину прокладки, приводящую к увеличению термического сопротивления, рекомендуется предварительно нанести на контактные поверхности соответствующую теплопроводную пасту КПТД-3 и затем установить и прикатать прокладку.
8. Запрещается хранение, манипулирование и эксплуатация материалов КПТД-2 при температурах ниже минус 60ºС и выше плюс 250ºС.