Экспериментальное определение теплопроводности термопаст

На рынке присутствует множество термопаст, многократно отличающихся как ценой, так и заявленной теплопроводностью. Поскольку проверить этот параметр на практике не так просто, а в реальных условиях использования слишком много неизвестных и плохо поддающихся контролю переменных, неизбежно возникает вопрос — за что просят весьма немалые деньги? Попытался на экспериментальном стенде не просто сравнить между собой три разных термопасты по принципу «лучше — хуже», но и приблизительно оценить теплопроводность каждой, сравнив с данными производителя. Подробности ниже.

В качестве испытательного стенда использовал уже знакомый читателям моих предыдущих обзоров мощный транзистор, прикрученный на массивный радиатор.

Там же все детали методики были описаны более подробно, сейчас совсем кратко.

Так как, несмотря на большую массу, температура радиатора в процессе измерений заметно подрастает, он дополнительно помещен в контейнер с водой, обладающей большой теплоемкостью.

Температура измеряется при помощи термопары

которая по очереди помещается то в глухое отверстие в радиаторе, просверленное наклонно рядом с фланцем, то на фланец транзистора. И отверстие, и фланец в месте контакта с термопарой смазаны термопастой.

Напряжение и ток подобрал так, чтобы на тразисторе рассеивалась мощность 50 Вт

Для того, чтобы получить количественное значение коэффициента теплопроводности, термопасту необходимо нанести слоем известной толщины. Для этого по краям фланца наклеил две полоски изоленты толщиной 0.15 мм. Так как в комментариях к предыдущему обзору меня справедливо упрекали, что без синей изоленты никакой обзор не может считаться полным, исправлю этот досадный недостаток и возьму СИНЮЮ изоленту :)))

На всякий случай нужно проверить толщину, с этим все в порядке (лента в два слоя)

и попробовать на глаз оценить равномерность получившегося зазора, вроде тоже неплохо

Общая площадь металлической части основания составляет 210 мм², площадь свободной от изоленты части примерно 160 мм².

Чтобы по возможности исключить влияние силы прижима на толщину слоя (как за счет сжимаемости изоленты, так и в силу прогиба фланца), для затягивания прижимного болта использовал динамометрическую отвертку с усилием 0.5 Н*м

В качестве первого испытуемого взял всем хорошо известную пасту КПТ-8. Её теплопроводность заявлена в диапазоне 0.65 — 1 Вт/(м*К).

Наносить пасту одно удовольствие — жидкая, хорошо прилипает к поверхности, легко выравнивается

По фотографии можно подумать, что слой очень толстый, но это не так. После установки транзистора на радиатор по бокам выдавилось совсем чуть-чуть

Немного забегая вперед покажу, как выглядели радиатор и фланец после снятия транзистора

Хорошо видно, что слоем термопасты был заполнен весь зазор, но она не затекла между радиатором и изолентой (немного ее испачкал при отрывании транзистора).

После включения источника питания и небольшого ожидания, измеряю температуру радиатора, затем фланца транзистора и снова радиатора

По графику видно, что перепад температур ΔT примерно 43℃. Подставив в формулу

θ = (P*d) / (S*ΔT)

мощность P = 50 Вт, толщину слоя d = 0.15 мм и площадь 160 мм², получим значение теплопроводности θ = 1.1 Вт/(м*К). Это больше, чем указанное изготовителем значение, но тому есть простое объяснение. Изолентой прикрыта значительная часть фланца — примерно пятая часть, а её теплопроводность соизмерима с теплопроводностью пасты — примерно 0.3 Вт/(м*К). (Измерения теплопроводности изоленты были проведены мною в недавнем обзоре). Поэтому её нельзя считать идеальным теплоизолятором. Поток тепла через изоленту составит 0.3 Вт/(м*К) * 50 мм² * 43 К / 0.15 мм = 4.2 Вт. С учетом этой поправки теплопроводность КПТ-8 получается ровно 1 Вт/(м*К). Что же, производитель ни в чем не обманул, придраться не к чему :).

Следующая на очереди паста Prolimatech PK-3. Её заявленная теплопроводность 11.2 Вт/(м*К).

Тюбик куплен более 5 лет назад. Паста изначально очень густая и плохо прилипающая к поверхности, за время хранения эти свойства только усугубились. Нанести её тонким слоем нет никакой возможности, приходится накладывать кусочками, рассчитывая, что прижимом её распределит по всему зазару.

После установки транзистора на радиатор небольшое количество пасты выдавилось по краям

а после демонтажа я обнаружил вполне ровный отпечаток без «залезания» пасты на изоленту

Перепад температур с этой пастой в восемь раз ниже, чем с КПТ-8, и составляет примерно 5℃

Вычисленная в результате расчетов теплопроводность — 9.3 Вт/(м*К), что на 16% меньше заявленной. Можно не обращать внимание на это расхождение, списав на погрешности эксперимента. Можно предположить, что за время хранения свойства пасты немного ухудшились (лично мне это кажется маловероятным). Быть может, её слой, в силу большой густоты, оказался чуть толще. А может производитель немного слукавил, указав максимальное значение, которое несколько колеблется от партии к партии. А может это комбинация всех перечисленных и каких-то других факторов. В любом случае, полученное значение в 9 раз превосходит теплопроводность КПТ-8, и это существенно. 900%, а не 16%!

И, наконец, последний участник теста — паста GELID GC-Extreme. На упаковке её теплопроводность не указана, на сайте изготовителя приводится значение 8.5 Вт/(м*К). Пасте также приблизительно 5 лет.

Паста также достаточно густая, но намного лучше, в сравнении с PK-3, липнет к поверхности, поэтому наносить её намного легче

Излишки по краям совсем маленькие, думал, что получилось очень точно угадать с количеством нанесенной пасты

Но после демонтажа увидел, что пасты чуть-чуть не хватило до верхнего края, там остались небольшие пустоты

Перепад температуры с этой пастой примерно 7℃

а полученное в результате расчетов значение теплопроводности 6.6 Вт/(м*К). Это опять меньше, чем заявлено производителем, но ко всем указанным выше причинам могу добавить еще одну — небольшие пустоты в слое из-за недостаточного количества пасты. Переделывать опыт поленился, даже такое значение довольно близко к заявленному.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первый и самый очевидный вывод — термопасты из верхней ценовой группы действительно многократно превосходят по теплопроводности широко распространенную дешевую КПТ-8. В случае Prolimatech PK-3 отличие в 9 раз!

Важно ли это в практическом плане? Думаю, что однозначного ответа не существует. Если поверхности хорошо обработаны и зазор между ними может быть сведен к 10-20 микронам (именно до такой толщины я раздавил густую Prolimatech PK-3 при подготовке обзора), столь значительная разница в теплопроводности может вылиться в несущественные 1-2℃ даже при достаточно высокой рассеиваемой мощности и небольшой площади контакта. В случае транзистора, устанавливаемого непосредственно на радиатор, именно так у меня и получилось. Но уже при толщине слоя в 0.15 мм (а это не так уж и много, если основание радиатора имеет выгнутую форму) разница в температурах будет далеко не 1-2℃, а 5℃ в случае хорошей пасты и более 40℃ — с КПТ-8! Так что решение нужно принимать с учетом всех обстоятельств.

Всем добра! Конструктивные комментарии горячо приветствуются.