Warmtegeleiding is de mate waarin een materiaal de toegevoerde warmte doorgeeft. Deze eigenschap is van cruciaal belang bij het ontwerpen van effectieve warmte-isolatie, met name in apparaten zoals koelkasten. Een laag warmtegeleidingscoëfficiënt (λ-waarde) duidt op een hogere isolatie-efficiëntie, wat betekent dat het materiaal warmte en koude beter tegenhoudt in plaats van geleidt.
De warmtegeleidingscoëfficiënt, ook wel lambda-waarde (λ) genoemd, wordt uitgedrukt in Watt per meter Kelvin (W/mK). Een lagere lambda-waarde staat voor een hogere isolatiewaarde. Deze coëfficiënt wordt bepaald door de structuur van het materiaal en de inherente warmtegeleiding ervan, niet zozeer door het gewicht of de dikte.
Belangrijke concepten met betrekking tot warmtegeleiding en isolatie omvatten:
- Soorten warmteoverdracht: geleiding (conductie), convectie (stroming) en straling.
- De warmtegeleiding van specifieke materialen.
- De wet van Fourier voor warmtegeleiding.
- Warmteweerstand of thermische weerstand (R-waarde).
Thermisch Geleidende Lijmen en Materialen
Thermisch geleidende lijmen spelen een belangrijke rol in de productie van elektronica en worden gebruikt om warmte van componenten af te voeren. Ze worden voornamelijk toegepast voor het verlijmen van koellichamen, LED's en andere warmtegenererende elektronische componenten. Voor de productie van deze lijmen worden kunstharsen gecombineerd met vulcomponenten van metallische en anorganische materialen.
Metallische vulstoffen, zoals zilver of grafiet, bieden de beste thermische geleidbaarheidscoëfficiënten. Het nadeel hiervan is dat deze materialen vaak ook elektrisch geleidend zijn, wat in sommige toepassingen ongewenst kan zijn.
Verschillende soorten lijmen worden gebruikt, elk met specifieke eigenschappen:
Epoxylijmen
Epoxylijmen bestaan uit een mengsel van twee componenten: de hars en de verharder. Het uithardingsproces, waarbij de molecuulketens reageren, is een exotherme reactie. De mechanische sterkte kan worden beïnvloed door de uithardingsomstandigheden (temperatuur, keuze van hars en verharder). Epoxylijmen kunnen als één- of tweedelig systeem worden toegepast. Eéncomponent epoxylijmen harden doorgaans uit bij temperaturen van ongeveer 120-150°C.
Siliconenlijmen
Siliconenlijm is een veelzijdig, waterdicht polymeer met siliciumdioxide als hoofdbestanddeel. De term 'siliconen' verwijst naar polymeren met een siloxaanbinding en organische verbindingen. De productie begint met de isolatie van silicium uit silica. Siliconen zijn zeer resistent en behouden hun elasticiteit bij verschillende temperaturen. Onuitgeharde siliconen vormen een kleverige gel of vloeistof en zijn over het algemeen niet-toxisch.
Polyurethaanlijmen (PU-lijmen)
Polyurethaanlijmen zijn thermoplastische lijmen of polymeren met organische keteneenheden verbonden door urethaanschakels. De chemische reactie tussen de polymeren vormt de lijm. Ze zijn doorgaans bruin of transparant, maar kunnen worden gekleurd voor specifieke toepassingen. PU-lijmen worden veel gebruikt in de bouw, meubelproductie, lucht- en ruimtevaart en koelhuizen.
Polyurethaanlijmen zijn beschikbaar als 1-component of 2-componentensystemen. De 2-componenten variant hardt sneller uit. Deze lijmen kunnen ook onder moeilijke omstandigheden zoals hitte en vochtigheid uitharden en hechten op diverse materialen zoals metaal, hout, beton en glas. Ze zijn milieuvriendelijk met een lage VOS-waarde. De chemische basis is de reactie tussen een isocyanaat en een polyol.
Toepassingen van Thermisch Geleidende Lijmen
Thermisch geleidende lijmen worden ingezet voor diverse toepassingen, waaronder inkapseling en coating. Ze zijn essentieel voor het hechten van koellichamen aan elektronische componenten en printplaten, om zo oververhitting en voortijdige uitval te voorkomen.
Daarnaast worden ze gebruikt voor het "potten" en inkapselen van sensoren. Dit biedt niet alleen een stevige hechting op diverse materialen, maar beschermt de sensoren ook tegen chemicaliën, vocht en corrosieve invloeden. De formuleringen bieden extra bescherming tegen trillingen, schokken en warmteontwikkeling.
Chip-scale pakkettechnologieën, die steeds populairder worden door de vraag naar compacte elektronische systemen, maken eveneens gebruik van thermisch geleidende materialen.
Warmteafvoer in Elektronische Apparaten
Warmte wordt uit elektronische apparaten afgevoerd via drie hoofdmechanismen: geleiding, convectie en straling. Geleiding transporteert de warmte van de bron via het substraat, de leadframe en het omhulsel naar het buitenoppervlak. Vervolgens kan de warmte verder worden geleid naar een extern object, zoals een koellichaam. Thermische weerstandswaarden worden door fabrikanten verstrekt als ontwerphulpmiddel.
Thermisch Vet en Pasta
Thermisch vet, ook wel koelpasta of koelvett genoemd, verbetert de warmteoverdracht tussen twee oppervlakken, zoals een microprocessor en een koellichaam. Veel microprocessors hebben geen perfect vlak oppervlak, wat luchtspleten kan creëren die de koelprestaties verminderen. Thermische pasta, die elektrisch isolerend en thermisch geleidend is, vult deze spleten op.
De thermische en elektrische geleidbaarheid van het vet wordt bepaald door de verhouding tussen de componenten. Afhankelijk van de polymeerchemie van de vloeibare matrix kan thermische pasta ook als lijm fungeren, waarnaar sommige fabrikanten verwijzen als 'thermische lijm'.
Isolatie in Koelkasten
De isolatie van koelkasten is cruciaal voor energie-efficiëntie. Traditionele isolatiematerialen zoals polystyreen (XPS en EPS) en PU-schuim zijn in de afgelopen decennia weinig veranderd. De isolerende werking wordt voornamelijk bepaald door de ingesloten lucht, die een veel lagere warmtegeleidingscoëfficiënt heeft dan het schuimmateriaal zelf.
Om de isolatiewaarde te verbeteren, zou het gebruik van edelgassen zoals Argon in plaats van lucht in de belletjes van het schuim de lambda-waarde kunnen verlagen. Theoretisch de hoogste isolatiewaarde kan worden bereikt met een vacuüm buitenmantel, vergelijkbaar met een thermosfles, eventueel gecombineerd met een zilveren of aluminium coating aan de binnenzijde.
Praktische aspecten van koelkastisolatie:
- De compressorruimte: Het gebied onder de koelkast, waar de compressor zich bevindt, wordt erg heet. Dit warmte wil naar binnen, terwijl de koude lucht naar beneden zakt. Extra isolatie in dit gebied kan de winst vergroten. Een kleine ventilator die parallel aan de compressor werkt, kan helpen de warmte af te voeren.
- Zijkanten en bovenkant: Deze delen zijn relatief eenvoudig na te isoleren.
- Achterkant: Het na-isoleren van de achterkant kan complex zijn, omdat het rooster mogelijk weggebogen moet worden. Wees voorzichtig, want koper kan breken bij buiging.
- Ingebouwde warmtewisselaar: Als de koelkast geen zwart rooster aan de achterzijde heeft, is de warmtewisselaar waarschijnlijk ingebouwd in de buitenwanden. In dat geval is het isoleren van de wanden niet aan te raden.
- Deurrubbers: Slechte deurrubbers zijn een grote bron van koude-lekken.
De energie-efficiëntie van koelkasten varieert aanzienlijk, met grote verschillen tussen klassen zoals A, A+ en A++. Een hogere isolatiedikte kent een sterk afnemende meerwaarde bij grotere laagdiktes, maar elke gram aan energiebesparing telt, zeker aan boord van een boot.
Warmteoverdracht en Isolatie
Warmte transport vindt plaats via geleiding, convectie en straling. Isolatie moet alle drie de vormen van warmteoverdracht tegengaan. Passieve convectie is het grootst bij verticale wanden, waardoor de isolatie van deze wanden belangrijker is dan die van de boven- en onderkant.
Akoestische Isolatie en Geluidsdemping
Naast thermische isolatie is ook geluidsisolatie belangrijk, met name voor inbouwkoelkasten. Het geluidsprobleem kan bestaan uit contactgeluid (trillingen die het keukenmeubel in beweging zetten) en luchtgeluid (het brommende geluid van de compressor).
Oplossingen voor geluidsdemping:
- Geluiddempende platen: Platen zoals Akotherm GG of Acusticab kunnen aan de wanden achter en naast de koelkast worden aangebracht om geluid te absorberen. Deze platen hebben ook warmte-isolerende eigenschappen, dus voldoende vrije ruimte rond de koelkast is essentieel.
- Trillingsisolatie: Strips zoals Regufoam kunnen op de bodem van het meubel worden aangebracht om trillingen te isoleren. Een plaatmateriaal bovenop de strips verdeelt het gewicht van de koelkast.
Het aanbrengen van isolatiematerialen kan het geluidsniveau van de compressor aanzienlijk verminderen, van bijvoorbeeld 50dB naar 40dB, en bij normaal gebruik kan het geluid vrijwel onhoorbaar worden.
Praktische Tips voor het Gebruik van Lijmen en Isolatie
Bij het mengen en meten van thermische lijm is het belangrijk om alle componenten, zoals harsen, verharders en poeders, zorgvuldig af te wegen in aparte containers voordat ze gemengd worden.
De keuze van de lijm met een geschikte thermische uitzettingscoëfficiënt is belangrijk om spanningen in de verbinding te minimaliseren. Het reinigen van oppervlakken en eventueel mechanisch opruwen verbetert de hechting.
Bij het aanbrengen van isolatie is het streven naar zo dun mogelijke verbindingslijnen wenselijk, omdat dit de thermische weerstand vermindert en spanningen op de hoeken van de lijn reduceert.
Hoe sluit je volt- en amperemeters aan? PRAKTISCHE DEMONSTRATIE
tags: #warmtegeleiding #isolatie #koelkast