SI21323A - Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita - Google Patents

Abstract

Reflektor po izumu je izdelan iz polimernega kompozita s toplotno prevodnostjo vsaj 0,5 W/mK in električno specifično prevodnostjo vsaj tolikšno, da je omogočeno elektrostatično nanašanje praška laka na reflektorjev ulitek. Reflektirna ploskev reflektorjevega ulitka je lakirana z elektrostatičnim nanašanjem praška laka, na lakirano reflektirno ploskev reflektorjevega ulitka pa je nanešena reflektirna plast. Polimerni kompozit ima prednostno toplotno prevodnost med 3 W/mK in 6 W/mK in električno specifično prevodnostjo vsaj 10 na-5/ohm.m. Za izdelavo polimernega kompozita se uporabi kateri iz navedene skupine, kot toplotno in električno prevodno polnilo pa se uporabljajo ogljikove ali kovinske snovi. Reflektor po izumu se po eni strani glede na kovinske reflektorje odlikuje po majhni teži in nizki ceni in ne korodira, glede na polimerne reflektorje pa po tem, da ni podvržen taljenju v vroči coni, nastajanje meglene lise v hladni coni je oslabljeno in ga je mogoče lakirati po uveljavljenem postopku elektrostatičnega nanašanja praška laka.ŕ

Description

(57) Reflektor po izumu je izdelan iz polimernega kom p ožita s toplotno prevodnostjo vsaj 0,5 W/mK in električno specifično prevodnostjo vsaj tolikšno, da je omogočeno elektrostatično nanašanje praška laka na reflektorjev ulitek. Reflektirna ploskev ref lektorjevega ulitka je lakirana z elektrostatičnim nanašanjem praška laka, na lakirano reflektirno ploskev reflektorjevega ulitka pa je nanesena reflektirna plast. Polimerni kompozit ima prednostno toplotno prevodnost med 3 W/mK in 6 W/mK in električno specifično prevodnostjo vsaj 10 na-5/ohm.m. Za izdelavo polimernega kompozita se uporabi kateri iz navedene skupine, kot toplotno in električno prevodno polnilo pa se uporabljajo ogljikove ali kovinske snovi. Reflektor po izumu se po eni strani glede na kovinske reflektorje odlikuje po majhni teži in nizki ceni in ne korodira, glede na polimerne reflektorje pa po tem, da ni podvržen taljenju v vroči coni, nastajanje meglene lise v hladni coni je oslabljeno in ga je mogoče lakirati po uveljavljenem postopku elektrostatičnega nanašanja praška laka.

SATURNUS - AVTOOPREMA proizvodnja svetlobne opreme za motorna in druga vozila d.d. Ljubljana Letališka c. 17 1001 Ljubljana

Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita

Izum se nanaša na reflektor svetila za uporabo v vozilu, pri Čemer je omenjeni reflektor izdelan iz polimernega kompozita. Gre za majhno svetilo z visoko svetilnostjo, v katerem je toplotno obremenjen zlasti reflektor. Z izumom se predlaga reflektor iz toplotno in električno prevodnega polimernega kompozita.

Izum je po mednarodni klasifikaciji patentov uvrščen v razred F 21V 07/20.

Naloga izuma je poceni izdelati tak reflektor visoke kakovosti iz polimernega kompozita, da bo med obratovanjem njegova temperatura čim nižja in bo njen gradient čim nižji, obenem pa se bo lahko ulitek iz polimernega kompozita lakiral z elektrostatičnim nanašanjem praška laka tudi po doslej pri kovinskih reflektorjih uveljavljenem postopku.

Znani so majhni reflektorji iz litih kovin, kot sta aluminij ali magnezij, ali iz vlečene pločevine. Na kovino se elektrostatično nanese prašek laka, plast laka pa se osloji s tanko reflektirno plastjo. Takšni mali reflektorji predstavljajo hrbtenico proizvodnje toplotno obremenjenih malih reflektorjev. Dobro prevajajo toploto; zato pod svetlobnim virom ne nastane hladnejša cona, na kateri bi močneje kondenzirali hlapi v svetilu prisotnih materialov. Lakiranje se izvaja z elektrostatičnim nanašanjem praška laka. So pa takšni reflektorji težki in dragi. Moti težavno doseganje oprijema laka na kovini. Življenska doba reflektorja je omejena zaradi korozije.

Znani so lahki, nelakirani reflektorji iz amorfnega termoplasta ULTEM, ki ima nizko toplotno prevodnost. Zato se v vroči coni, kjer dvigajoči se konvektivni vroč zračni tok ob svetlobnem viru zadeva reflektor, lahko celo stali reflektor, v hladni coni pod svetlobnim virom pa kondenzirajo hlapi v svetilu prisotnih materialov. Reflektor ima zmerno ceno, uveljavil pa seje, kjer je toplotna obremenitev nizka in ni posebnih zahtev glede izgleda.

Nadalje so znani lahki, lakirani reflektorji iz delno kristaliničnega termoplasta, na primer poliftalamida, ki ima nizko toplotno prevodnost, a prenese višjo temperaturo. Zato v vroči coni ne pride do taljenja reflektorja, v hladni coni pa kondenzirajo hlapi v svetilu prisotnih materialov. Reflektor ima zmerno ceno. Uveljavil pa se ni, saj bi bilo treba za njegovo eventualno lakiranje razviti posebno tehnologijo.

Omenjeni pa naj bodo polimerni kompoziti, katerih polnila povečujejo njihovo toplotno prevodnost. Uporabljajo se za okrove elektronskih komponent, da se omogoči odvajanje toplote. Ti polimerni kompoziti so električno izolacijski. Toplotna prevodnost normalne vrednosti do 5 W/mK se doseže s kombinacijo polnil, kot so keramični praški in keramična vlakna oziroma paličice, na primer aluminijev oksid, aluminijev nitrid, borov oksid in borov nitrid, vendar za izjemno ceno, saj so taka polnila zelo draga in imajo visoko gostoto. Na uporabo pri izdelavi reflektorjev torej neugodno vplivata izredno visoka cena in velika teža, ki je primerljiva s kovinskimi reflektorji. Pa tudi površina ulitka je motna zaradi polnil, kar vpliva na slabo odbojnost na njo nanesene reflektirne plasti.

Omenjeni naj bodo še polimerni kompoziti, katerih polnila povečujejo njihovo toplotno in električno prevodnost. Uporabljajo se za zaščitne okrove pred radiofrekvenčnimi motnjami in tam, kjer je važno, da se prepreči nabiranje elektrostatičnih nabojev. Toplotna prevodnost 20 W/mK se doseže, tako da se približno 40 % prostornine končnega kompozita zapolni s polnilom, kot je zmes toplotno in električno prevodnih ogljikovitih praškov ter toplotno in električno prevodnih ogljikovitih ali izjemoma kovinskih vlaken oziroma paličic. Omenjena visoka zapolnitev s polnilom predstavlja mejo za predelovanje z injekcijskim brizganjem, ker nad njo tečenje ni več zadovoljivo, in tudi površina ulitka je motna zaradi polnil, kar vpliva na slabo odbojnost na njo nanešene reflektirne plasti. Na trgu dosegljivi polimerni kompoziti s toplotno prevodnostjo 20 W/mK so predragi in se zaradi visoke toplotne prevodnosti težko predelujejo.

Uporaba omenjenih polimernih kompozitov sodi v področje le splošnega stanja tehnike, S temi materiali so se sicer začeli seznanjati na področju svetlobne tehnike za vozila. Vendar so bili poskusi v glavnem neuspešni iz navedenih razlogov,

Navedena naloga je rešena z reflektorjem po izumu iz polimernega kompozita in z značilnostmi iz prvega patentnega zahtevka.

Prednostni izvedbeni primeri reflektorja po izumu pa so značilni po značilnostih iz podrejenih patentnih zahtevkov.

Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, se po eni strani glede na takšne kovinske reflektorje odlikuje po majhni teži in nizki ceni in ne korodira, glede na polimerne reflektorje pa po tem, da ni podvržen taljenju v vroči coni, nastajanje meglene lise v hladni coni je oslabljeno in je mogoče reflektor lakirati po uveljavljenem postopku elektrostatičnega nanašanja praška laka. Z izumom je predlagana elegantna rešitev vseh večjih problemov na področju reflektorjev za majhne, toplotno zelo obremenjene žaromete.

Izum bo v nadaljnjem podrobno obrazložen na osnovi predstavitve tehnične rešitve po izumu in opisa izvedbenega primera.

Reflektor po izumu svetila za uporabo v vozilu je izdelan iz polimernega kompozita, ki ima toplotno prevodnost vsaj 0,5 W/mK in električno specifično prevodnost vsaj tolikšno, da je omogočeno elektrostatično nanašanje praška laka na reflektor-55 jev ulitek. Reflektor po izumu je opremljen z reflektirno plastjo, ki je nanesena na lakirano reflektirno ploskev reflektorjevega ulitka iz polimernega kompozita z opredeljenima toplotno prevodnostjo in električno specifično prevodnostjo. Reflektirna ploskev reflektorjevega ulitka je bila lakirana z elektrostatičnim nanašanjem praška laka.

V prednostnem izvedbenem primeru ima polimerni kompozit toplotno prevodnost vsaj 2 W/mK in električno specifično prevodnost vsaj 10'⁵ H^m’¹.

V najbolj prednostnem izvedbenem primeru pa je toplotna prevodnost polimernega kompozita med 3 W/mK in 6 W/mK, Nad to toplotno prevodnostjo je oteženo zalivanje kalupne votline orodja zaradi prenaglega strjevanja taline polimernega kompozita.

Zaradi zadovoljivega oprijema laka na polimerni kompozit ulitega reflektorja po izumu, pa tudi zaradi odstranjevanja iz kalupne votline orodja za predelavo mora polimerni kompozit imeti površinsko napetost okoli 50.10'³ N/m oziroma pod 60.10'³ N/m.

Polimerni kompozit je izdelan iz kateregakoli polimera v skupini polimerov, ki obsega polifenilni sulfid, poliftalamid, polietilen teraftalat, poliamid 6, poliamid 66, poliamid 6T in polibutilen teraftalat, kot toplotno in električno prevodno polnilo pa se uporabijo ogljikovite ali kovinske snovi,

Potrebne mehanske lastnosti in temperaturna razteznost polimernega kompozita se dosežejo z dodatkom steklenih vlaken.

Reflektor po izumu v prednostnem izvedbenem primeru je lakiran po elektrostatičnem postopku, toploto pa prevaja tako dobro, da ne pride do taljenja v vroči coni niti do tako nizke temperature v hladni coni, da bi se reflektirna površina zameglila. Reflektor po izumu ima majhno maso in nizko ceno. Reflektirna površina je nekoliko, a ne moteče, pomarančasto nagubana.

Poskusi, ki so potekali v smeri izboljšanja površine golega ulitka, niso bili uspešni. Polnila v polimeru namreč onemogočajo, da bi se gladka površina izoblikovala že s samim injekcijskim brizganjem. V posameznih primerih bi se eventualno takšen reflektor ob izgubi okoli 10 % svetlobnega toka lahko uporabil za manj zahtevne eliptične žaromete, kjer zbiralna leča zakrije neestetski videz reflektorja.

Lakova plast je plinodržna. Zato poleg že omenjenega učinkovanja kot substrat za nanos reflektirne plasti lakova plast tudi preprerečuje izplinjanje nepopolno polimeriziranih komponent polimernega kompozita v prostor svetila.

Nauk izuma, ki se nanaša na predlagano učinkovito tehnično rešitev, temelji na razumevanju fizikalnega ozadja pri izdelavi reflektorja po izumu kot tudi pri delovanju reflektorja po izumu.

Površina električno prevodnega telesa reflektorja iz polimernega kompozita v električnem polju, ki se na primer vzpostavi med elektrostatičnim nanašanjem praška laka, deluje kot površina elektrode, ki privlači omenjeni prašek laka. Vendar mora polimerni kompozit imeti neko najmanjšo, zgoraj opredeljeno električno specifično prevodnost, da na površini telesa reflektorja vzpostavljeni električni potencial lahko dovolj hitro sledi spremembam električnega polja pri elektrostatičnem nanašanju.

Na podoben način višja toplotna prevodnost polimernega kompozita omogoča, da se v stacionarnem stanju zmanjšajo razlike v temperaturi točk telesa reflektorja, obenem pa se od telesa reflektorja preko nosilca toplota bolje odvaja iz svetila.

Pri znanem toplotno slabo prevodnem polimernem reflektorju - toplotna prevodnost polimera je pod 0,3 W/mK - v žarometu s premerom od 50 mm do 100 mm dvigajoči se konvektivni vroč zračni tok, ki obteka svetlobni vir na žarilno nitko, segreje reflektor v vroči coni do temperature tudi nad 250 °C, medtem ko ima hladna cona v spodnjem delu reflektorja temperaturo lahko tudi le od 50 °C do 70 °C. Škodljivi posledici nastanka tako vroče kot hladne cone sta že bili omenjeni.

Temperatura vroče cone na reflektorju iz polimernega kompozita s toplotno prevodnostjo, enako oziroma nad 0,5 W/mK, je znatno nižja, značilno je znižanje za 50 K, kot pri toplotno neprevodnem reflektorju, medtem ko se temperatura hladne cone dvigne le neznatno, značilno je zvišanje za 1 K. Pri takem reflektorju ne nastopi škodljivi učinek vroče cone, medtem ko še vedno nastaja iz estetskih razlogov moteča meglena lisa v hladni coni na vidni reflektirni površini reflektorja.

Še višja toplotna prevodnost polimernega kompozita pa vpliva na višino temperature vroče oziroma hladne cone na reflektorju takole. Znižanje temperature vroče cone znaša okoli 100 K pri toplotni prevodnosti 3 W/mK in okoli 110 K pri toplotni prevodnosti 6 W/mK, zvišanje temperature hladne cone pa znaša okoli 10 K pri toplotni prevodnosti 3 W/mK in okoli 15 K pri toplotni prevodnosti 6 W/mK. Pri toplotni prevodnosti 3 W/mK je za minimalne praktične potrebe odpravljen škodljivi učinek hladne cone.

Polimerni kompozit pa mora imeti še naslednje lastnosti, ki se v rešitvi po izumu lahko dosežejo. Koeficient linearnega temperaturnega raztezka od temperature T

S steklastega prehoda do 180 °C naj ne presega 40.10'⁶ K¹ zato, da se ohranja svetlobna karakteristika svetila. Zaradi potrebne togosti mora Youngov modul ležati nad 10 GPa, natezna trdnost pa naj presega 40. MPa. Čeprav med obratovanjem reflektor iz polimernega kompozita s toplotno prevodnostjo nad 3 W/mK redko doseže temperaturo nad 160 °C, mora temperatura (HDT - heat deflection temperature) vzdržljivosti geometrije presegati 220 °C, saj se v normalnem lakiranju elektrostatično naprašeni ulitki pečejo pri temperaturi 220 °C.

Injekcijsko brizganje reflektorskih ulitkov se izvaja na standardnih strojih za injekcijsko brizganje termoplastičnih materialov. Morajo pa biti orodja za predelavo tekočinsko hlajena z možnostjo regulacije temperature temperirnega sredstva do temperature vsaj 160 °C, pri čemer je priporočljivo, da se polirana stran jeklenega orodja dodatno ogreva uravnavano s PID regulatorjem in možnostjo nastavitve vsaj do 190 °C.

Stroj za injekcijsko brizganje zadrži običajne injekcijske hitrosti, nastavi pa se nenavadno kratek čas - do 2 sekund - naknadnega tlaka. Zaradi navedene toplotne prevodnosti polimernega kompozita je čas ohlajanja ulitka, katerega debelina sten lahko presega celo 3 mm, v kalupni votlini orodja le od 7 s do 15 s. Pri takem materialu je zato produktivnost stroja visoka.

Izvedbeni primer

Reflektor po izumu se izdela iz polietilen teraftalata z 20 % steklenih vlaken (Rynite 520, proizvajalec DuPont), na katerega 1 kg so dodana polnila:

540 g AI_?O₃ v prahu z zrni 2 /im - 3 /im (poljuben proizvajalec), torej 15 vol. %,

120 g aluminijevih vlaken A1F debeline 0,1 mm in dolžine 2 mm (proizvajalec

Green Steel Espana), torej 5 vol%, in 79 g grafitiranih saj (Carbon Black Printex L, proizvajalec Degussa), torej 7 vol. %.

Grafitirane saje so dodane, da se doseže primerna električna prevodnost.

Zmes se zmeša v ekstruzijskem mešalniku. Ekstrudat se nareže na granule, ki se vstavijo stroj za injekcijsko brizganje. Oblikovalne stene orodja morajo biti iz jekla.

Izdelani so bili preizkusni ulitki reflektorja po izumu s premerom 70 mm.

Ulitki reflektorja se elektrostatično naprašijo s prašnim lakom Polydrox 11 Naturel 22P11 EP 9072527 proizvajalca Akzo Nobel Coatings GmbH, nakar se v peči 10 minut lak tali pri temperaturi 150 °C in zatem 30 minut mreži pri temperaturi 220 °C.

Nato se ohlajeni lakirani ulitki reflektorja v napravi za vakuumsko oslojevanje oslojijo z reflektirno tanko plastjo.

Toplotna prevodnost polimernega kompozita v reflektorju je 0,6 W/mK. Električna prevodnost zadošča za elektrostatično prašno lakiranje. Površinska napetost polimernega kompozita z vrednostjo 55 mN/m omogoča odličen oprijem plasti laka.

Na tem reflektorju se ne kažejo škodljivi učinki v vroči coni, niso pa odpravljeni v hladni coni, Natezna trdnost je za praktično uporabo prenizka, kar pa je posledica predstavljene recepture za izdelavo polimernega kompozita.

Claims (6)

1. Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, označen s tem, da ima polimerni kompozit toplotno prevodnost vsaj 0,5 W/mK in električno specifično prevodnost vsaj tolikšno, da je omogočeno elektrostatično nanašanje praška laka na reflektorjev ulitek, da je reflektirna ploskev reflektorjevega ulitka lakirana z elektrostatičnim nanašanjem praška laka in da je na lakirano reflektirno ploskev reflektorjevega ulitka nanešena reflektirna plast.

2. Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, po zahtevku 1, označen s tem, da ima polimerni kompozit toplotno prevodnost vsaj 2 W/mK in električno specifično prevodnost vsaj 10'^{4 5}

3. Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, po zahtevku 2, označen s tem, da ima polimerni kompozit toplotno prevodnost med 3 W/mK in 6 W/mK.

4. Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, označen s tem,

-1111 da ima polimerni kompozit površinsko napetost od 50. IO'³ N/m do 60.10'³ N/m.

5. Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, označen s tem, da je polimerni kompozit izdelan iz kateregakoli polimera v skupini polimerov, ki obsega polifenilni sulfid, poliftalamid, polietilen teraftalat, poliamid 6, poliamid 66, poliamid 6T in polibutilen teraftalat, in da se kot toplotno in električno prevodno polnilo uporabijo ogljikovite ali kovinske snovi.

6. Reflektor svetila za uporabo v vozilu, izdelan iz polimernega kompozita, po zahtevku 5, označen s tem, da se potrebne mehanske lastnosti in razteznost polimernega kompozita dosežejo z dodatkom steklenih vlaken.