IT201700011367A1 - Dissipatore di calore planare in materiale composito ad alta conducibilità termica e ad alta resistenza meccanica - Google Patents

Description

“Dissipatore di calore planare in materiale composito ad alta conducibilità termica e ad alta resistenza meccanica”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

CAMPO DELLA TECNICA A CUI L’INVENZIONE FA RIFERIMENTO La presente invenzione riguarda un dissipatore di calore planare in materiale composito caratterizzato da alta conducibilità termica, alta resistenza meccanica e basso peso specifico, impiegato nell’ambito della tecnologia LED per lo smaltimento del calore prodotto durante il funzionamento da uno o più dispositivi LED ad esso applicati.

STATO DELLA TECNICA PREESISTENTE

La sorgente luminosa che negli ultimi anni si sta affermando maggiormente rispetto alle fonti tradizionali (sorgenti a filamento, a ciclo di alogeni, fluorescenti, a scarica è la sorgente LED (Light Emitting Diode) HB (High Brightness) . In particolare, nelle applicazioni in ambienti esterni, il diodo luminoso di ultima generazione, ad alta luminanza, fornisce prestazioni nettamente superiori, in termini sia energetici che qualitativi (fotometrici e colorimetrici), rispetto alle tradizionali sorgenti a vapori di mercurio ad alta pressione, a valori di alogenuri metallici, a vapori di sodio ad alta e a bassa pressione.

Altri vantaggi di questa nuova tecnologia sono: alta affidabilità, lunga durata, elevata efficienza luminosa, minore generazione di calore, peso e ingombro ridotti, robustezza, abbattimento drastico dei costi di manutenzione.

L’attenzione verso il rispetto dell’ambiente e la continua ricerca del risparmio energetico rende la sorgente LED attualmente la miglior sorgente luminosa nei campi sopracitati. Inoltre, risultando ancora una tecnologia molto giovane rispetto alle altre, presenta enormi margini di crescita e di sviluppo.

I LED infatti non contengono sostanze tossiche e nocive alla salute dell’uomo, degli animali e all’ambiente, a differenza di alcuni tipi di lampade tradizionali che contengono mercurio e altre sostanze pericolose.

Un apparecchio illuminante a LED si compone di diverse parti : Un substrato MCPCB, cioè Metal Core Printed Circuit Board, cioè caratterizzato da un nucleo principale costituito da alluminio o rame, metalli con buona conducibilità termica su cui sono saldati i LED, un dissipatore passivo di calore comprendente una pluralità di alette -generalmente costituito ad esempio dal telaio dell’apparecchio illuminante stesso ed è convenzionalmente realizzato in lega di alluminio, sottoposto a trattamenti di anticorrosione e/o verniciatura che in genere è a polveri di poliestere-, una eventuale tecnologia di raffreddamento attivo come ad esempio delle ventole di raffreddamento che indirizzano un certo flusso d’aria direttamente tra le alette del dissipatore di calore, una soluzione per il trasferimento del calore tra MCPCB e dissipatore di calore, (come per esempio un biadesivo atto al trasferimento termico, eventuale sistema per direzionare la luce, come ad esempio lenti e/o riflettori, un sistema di protezione meccanico da acqua e polvere, ad esempio generalmente costituito da uno schermo in metacrilato o vetro temprato, che viene assemblato sul dissipatore tramite viti interponendo eventualmente tra quest’ultimi una opportuna guarnizione, un driver, come ad esempio un convertitore AC/DC, per alimentare elettricamente l’apparecchio illuminante, eventuale elettronica di controllo remoto o stand alone, e dispositivi di alimentazione degli eventuali elementi attivi di raffreddamento.

I diodi LED convertono quasi tutta la potenza assorbita in luce visibile; ciononostante è necessario l’utilizzo di un cooler abbastanza ingombrante per impedire il riscaldamento della giunzione P-N e la conseguente degradazione delle proprietà ottiche. Riuscire a ridurre la massa di tale componente dell’apparecchio a power LED è fondamentale per il risparmio di materiale e per la facilità di applicazione.

Malgrado una maggiore efficienza rispetto alle altre sorgenti luminose, i LED possono presentare problemi di affidabilità se una qualsiasi delle parti del sistema di illuminazione, incluso il driver, non sono protette in modo adeguato dal surriscaldamento.

Poiché i LED non emettono nell’infrarosso per irraggiamento, il calore prodotto deve essere rimosso per conduzione o convezione. Se la dissipazione del calore è insufficiente, il LED può essere soggetto a viraggio precoce del colore: nello specifico, il voltaggio di mandata comincia a decrescere, dando origine a un incremento del carico sui componenti del driver LED e causando un aumento della loro temperatura; con temperature ancora superiori, si può spostare la lunghezza d’onda di emissione, facendo assumere alle luci arancioni il colore rosso e alle luci bianche un colore azzurrato. Inoltre, un LED termicamente stressato perde efficienza, e il flusso luminoso diminuisce: se il calore non viene dissipato, la giunzione LED si può danneggiare, portando a rottura l’intero elemento; altre conseguenze possono includere delaminazione interna del punto di saldatura, danneggiamento alla resina epossidica e ingiallimento delle lenti.

Il parametro operativo che caratterizza l’efficienza di un dissipatore termico, riassumendo i numerosi fattori che la influenzano – materiale costituente, dimensioni, forma, colore, finitura superficiale, condizioni di ventilazione, posizione di montaggio, ecc. – è la sua resistenza termica Rthda, ovvero la resistenza termica all’interfaccia fra il dissipatore e l’ambiente circostante. Questa è definita come l’incremento di temperatura subìto dal dissipatore a causa dell’applicazione di una potenza elettrica di 1 watt, concordemente con quanto si può dedurre dall’equazione (1):

Td – Ta = Pd · Rthda (1)

dove Td(°C) è la temperatura del dissipatore, Ta(°C) è la temperatura ambientale e Pd (W) è la potenza dissipata dal dispositivo elettronico del caso, come ad esempio il sistema di illuminazione a LED. La resistenza termica del dissipatore Rthda (°C/W) rappresenta la difficoltà di smaltimento verso l’ambiente del calore generato dai LED e trasmesso al dissipatore cui sono solidali.

Come si deduce dall’equazione (1), una bassa resistenza termica è auspicabile in quanto: a parità di temperatura di esercizio del dissipatore, e quindi anche dei LED, sarebbe possibile dissipare una potenza maggiore, oppure, a parità di potenza dissipata, sarebbe possibile ridurre la temperatura di lavoro del dissipatore e quindi dei LED, con ovvie ricadute positive in termini di efficienza, vita utile ed emissione spettrale dei dispositivi a giunzione.

Gli avanzamenti della tecnologia stanno rendendo la gestione termica dei LED se possibile ancora più complessa, a causa del continuo aumento di potenza e corrente necessario per creare diodi con flusso luminoso sempre maggiore.

Per affrontare tale problema, le soluzioni sono orientate alla realizzazione di nuove configurazioni e geometrie che ottimizzino la dissipazione del calore, e all’utilizzazione di nuovi materiali che possano offrire performance superiori. Attualmente, molti dissipatori di calore per LED estrusi o stampati utilizzano conformazioni alettate, che aumentano la superficie di scambio termico e producono uno scambio convettivo più efficace. Tale presenza di alette comporta problemi di annidamento di impurità tra le stesse e questo porta ad un degrado delle prestazioni termiche degli stessi dissipatori.

Allo stato della tecnica, i materiali attualmente impiegati nella realizzazione dei dissipatori sono l’alluminio, che ha una buona conducibilità termica e un costo relativamente basso, e il rame, che ha conducibilità doppia, ma un costo molto più elevato.

Entrambi i materiali sono caratterizzati comunque da un elevato peso specifico e pertanto, con l’aumentare delle potenze in gioco, portano ad un aumento considerevole del peso complessivo dell’intero apparecchio illuminante con conseguenti ricadute in termini di costo e ingombri sia del sistema illuminante che delle strutture adibite al fissaggio e supporto dello stesso.

Inoltre per realizzare i dissipatori di calore in alluminio con tecniche di estrusione o con quella di pressofusione occorre l’impiego di costose attrezzature e stampi in acciaio e processi di produzione che richiedono un ingente impiego di energia e impianti costosi.

Una altra implicazione dell’impiego di dissipatori di calore realizzati con tecnologie tradizionali è quella della corrosione dovuta agli agenti atmosferici nel momento in cui vernici o passivazioni superficiali fossero degradate per invecchiamento dovuto all’esposizione ai raggi solari e agli agenti atmosferici.

Compito del presente trovato è dunque quello di realizzare un dissipatore di calore per apparecchi illuminanti a LED in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota così come sopra evidenziati attraverso lo sviluppo di nuove soluzioni.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di realizzare un sistema di gestione termica del calore generato dalla sorgente LED che consenta di ottenere una migliore performance dell’apparecchio illuminante a LED; lo stesso è infatti caratterizzato da un dissipatore di calore realizzato in materiale composito termoconduttivo sul quale sono applicati i moduli led preferibilmente mediante biadesivo termico. La conseguenza di quanto sopra permette di conseguire un importante scopo del trovato che è quello di ottenere un dissipatore di calore e quindi un apparecchio luminoso, con un peso nettamente più bassi rispetto ai dissipatori tradizionali in alluminio realizzati mediante processo di estrusione o mediante pressofusione di alluminio. Tale caratteristica permette di impiegare staffe di sostegno molto meno robuste, e quindi molto meno costose, rispetto a quelle relative a lampade che impiegano dissipatori di tipo tradizionale.

Ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un dissipatore di calore con geometria preferibilmente planare e quindi con una elevata superficie atta allo scambio termico per convezione termica pur non impiegando le classiche alette di raffreddamento. Questo porta ad un altro vantaggio che è quello di evitare che impurità e polvere di ogni tipo si annidino nell’interstizio ricavato tra le alette di raffreddamento pregiudicandone le prestazioni termiche.

Ulteriore scopo del trovato è quindi quello di ottenere dissipatori di calore e quindi apparecchi illuminanti LED, nettamente meno ingombranti rispetto a quelli impieganti dissipatori realizzati con tecniche convenzionali.

Ulteriore scopo del trovato è quello di permette la realizzazione di apparecchi illuminanti con struttura portante costituita dal dissipatore di calore in materiale composito ad alta resistenza meccanica, mentre le restanti parti meccaniche, compreso il vano contenente i driver e l’elettronica di controllo, prive di eccessivi carichi di servizio, possono essere realizzate preferibilmente in tecnopolimero mediante il processo di iniezione plastica ottenendo in tal modo rispetto al processo di pressofusione di leghe metalliche dei costi della materia prima inferiori, basse tolleranze sul prodotto, costi di processo inferiori, isolamento elettrico, maggiori possibilità di finitura, vita dello stampo più elevata, sfrido di processo inferiori e peso delle parti prodotte più contenuti.

L’impiego del tecnopolimero per la costruzione delle parti estetiche e funzionali del trovato consente di perseguire un altro scopo del trovato che è quello di eliminare la necessità di dover proteggere mediante verniciatura il corpo dell’apparecchio portando così ad un notevole abbattimento dei costi di produzione.

La conseguenza di quanto sopra permette di conseguire un altro scopo del trovato che è quello di diminuire l’inquinamento e, in generale, l’impatto ecologico sull’ambiente, grazie all’ utilizzo di plastiche completamente riciclabili, alla minore energia impiegata nel processo di iniezione plastica rispetto al processo di pressofusione di leghe metalliche e all’assenza di vernici.

Inoltre l’oggetto del seguente trovato non è sottoposto a degrado dovuto ai fenomeni di corrosione dovuti all’esposizione agli agenti atmosferici e alle radiazioni solari per tutta la durata di vita delle sorgenti LED ad esso applicate.

Ulteriore scopo del trovato è quello di poter impiegare degli stampi per la realizzazione del presente trovato di costo nettamente inferiore rispetto a quelli impiegati nella tecnologia della pressofusione di alluminio e nella tecnologia dell’estrusione di alluminio per realizzare un componente di pari prestazioni termo-meccaniche.

I termini tecnici specifici utilizzati nella descrizione e nelle rivendicazioni hanno il seguente significato:

Con il termine prepreg si indicano fibre composite pre-impregnate con una resina termoindurente. Le fibre possono essere distribuite in modo qualsivoglia e secondo direzioni qualsivoglia e possono anche essere intrecciate e non ad esempio sotto forma di tessuto, tessuto non tessuto, tessuto tridimensionale ed altre forme attualmente note e la resina è utilizzata per legare le fibre insieme. Il processo di indurimento della resina è eseguito solo parzialmente, cioè la polimerizzazione non è completa per cui il materiale pre-impregnato è facilmente manipolabile e può venire sottoposto a lavorazione in un successivo processo di trattamento come ad esempio formatura, laminazione ed altri processi.

Con il termine fibre di carbonio di tipo pitch si identifica una tipologia di fibra di carbonio sulla base del processo di ottenimento delle stesse e cioè ottenute da fibre di pece sottoposte a stabilizzazione e carbonizzazione;

Con il termine pitch mesofasica o MPP si intente il processo di ottenimento delle fibre di carbonio da pece mesogenica convertita in pece mesofasica durante la filatura; tale pece mesofasica è poi sottoposta a stabilizzazione, carbonizzazione e trattamento termico ad elevata temperatura.

Con il termine PAN si indicano le fibre di carbonio del tipo ottenuto attraverso stabilizzazione, carbonizzazione ed eventuale trattamento termico ad elevata temperatura del poliacrilonitrile.

La presente invenzione è, quindi, ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo secondo sue forme preferite ma non esclusive di realizzazione, con particolare riferimento alla figure dei disegni allegati, in cui:

La figura 1 illustra una vista prospettica esplosa di una possibile composizione e stratificazione dell’oggetto del presente trovato;

la figura 2 rappresenta una vista schematica del flusso di calore all’interno di un corpo planare oggetto del presente trovato;

la figura 3 rappresenta una vista esplosa in sezione trasversale di una possibile configurazione di impiego del presente trovato;

la figura 4 illustra un diagramma di flusso inerente una preferibile sequenza di istruzioni per la laminazione relative al presente trovato:

la figura 5 illustra in sequenza l’orientamento dei singoli tessuti nei vari strati relativi al processo di laminazione del dissipatore oggetto del presente trovato.

DESCRIZIONE DELLE FIGURE

La figura 1 illustra una vista prospettica esplosa di una possibile realizzazione della laminazione di quattro strati di prepreg unidirezionale sovrapposti in sequenza bilanciata 0/+45/−45/90 descritto nella presente invenzione.

La figura 2 rappresenta una vista schematica del flusso di calore che scorre per conduzione in un laminato con stratificazione bilanciata oggetto della presente invenzione.

La figura 3 rappresenta una vista esplosa in sezione trasversale di una possibile configurazione di impiego del presente trovato, in cui sono distinguibili il dissipatore in materiale composito termoconduttivo (1), il biadesivo termico per l’accoppiamento e la dissipazione (2) e i circuiti MCPCB con LED assemblati (3).

La figura 4 mostra un diagramma di flusso descrivente le operazioni di stampaggio di un laminato oggetto della presente invenzione.

La figura 5 rappresenta un diagramma di flusso descrivente la sequenza di laminazione degli strati di tessuto prepreg sullo stampo.

In una forma esecutiva preferita, il dissipatore termico (1) oggetto della presente invenzione è realizzato in materiale composito, e come tale è costituito di una matrice e di un rinforzo. Il rinforzo è ottenuto mediante l’impiego di fibre continue di carbonio. In particolare, si utilizzano fibre di carbonio ad alta conducibilità termica cosiddette di tipo “pitch”, che si differenziano dalle fibre di carbonio tradizionali cosiddette di tipo “PAN” per la tipologia di precursore chimico impiegato nel processo di sintesi pirolitica con cui vengono prodotte: nel primo caso pece mesofasica (pitch) e nel secondo caso poliacrilonitrile (PAN). L’impiego di un differente precursore chimico per la sintesi delle fibre di carbonio PAN e pitch determina significative differenze nella microstruttura e quindi nelle proprietà delle fibre stesse. Le fibre di carbonio pitch presentano un maggior grado di ordine cristallino, potendosi osservare – nella sezione – gli strati di carbonio allineati fra loro e con l’asse della fibra, come nella struttura della grafite. Ciò comporta che le fibre di carbonio di tipo pitch presentino maggiori modulo elastico e conducibilità termica rispetto alle fibre di carbonio di tipo PAN, le quali invece presentano maggiore resistenza meccanica. La conducibilità termica della fibra si intende come longitudinale, cioè lungo l’asse della fibra. La conducibilità termica longitudinale di particolari gradi di fibra di carbonio di tipo pitch può sopravanzare di gran lunga la conducibilità termica longitudinale delle fibre di carbonio di tipo PAN ed anche la conducibilità termica dell’alluminio. Esempi tipici di prodotti commerciali si attestano su valori molto superiori a 100 W/(m·K) e fino anche a 1000 W/(m·K). Una problematica comune ad ambedue le tipologie di fibre di carbonio, sia PAN che pitch, è invece la modesta conducibilità termica trasversale, cioè in direzione normale all’asse della fibra. Questa si attesta in ambo i casi su valori dell’ordine dei 10 W/(m·K). Per tale ragione si prediligono geometrie planari dei dissipatori realizzati secondo la presente invenzione.

La matrice del materiale composito costituente il dissipatore termico oggetto della presente invenzione è una resina termoindurente, in particolare epossidica. Tali resine, com’è tipico dei materiali a base organica, presentano generalmente valori molto bassi di conducibilità termica, di solito inferiori a 1 W/(m·K). Di conseguenza, un laminato composito costituito da rinforzo in fibra di carbonio pitch e matrice in resina epossidica presenterà una buona conducibilità termica nel piano del laminato (in-plane) – purché si tratti di un laminato bilanciato – ma una scarsa conducibilità termica nella direzione perpendicolare al piano del laminato (out-of-plane). Per ovviare anche solo parzialmente a questa problematica, nella presente invenzione si prevede l’addizione alla resina, in opportuno tenore, di un riempitivo termicamente conduttivo come ad esempio particelle metalliche (rame, alluminio, ecc.), particelle ceramiche (allumina, ecc.) o particelle carboniose (nerofumo, grafite, ecc.).

Per la produzione del dissipatore termico in materiale composito oggetto della presente invenzione, si adopera un tessuto cosiddetto “prepreg”, ovvero un tessuto di fibra di carbonio pitch già pre-impregnato di resina secondo le opportune proporzioni.

Secondo una prima forma esecutiva, e lo strato di fibre prepreg ha preferenzialmente architettura tessile unidirezionale, con le fibre cioè orientate tutte nella stessa direzione.

Una variante esecutiva prevede in alternativa anche l’utilizzo , di tessuti bidimensionali di varia armatura – ad esempio tela (plain), saia (twill) o raso (satin), ciò in particolare se si desidera conferire al componente finale una finitura cosiddetta “carbon look”.

Viceversa, adoperando un prepreg unidirezionale, la finitura superficiale del componente sarà nera opaca.

La grammatura totale del prepreg, espressa in grammi per metro quadro di superficie piana, è variabile a seconda delle prestazioni termiche e meccaniche richieste per il componente finale.

La resina costituente il prepreg è di tipo epossidico o di altra natura, comunque termoindurente. La resina presenta elevata temperatura di transizione vetrosa, superiore alla massima temperatura di esercizio attesa per il componente, tenendo presente che il dissipatore termico è soggetto a riscaldamento sia per trasferimento conduttivo da parte dei LED sia per trasferimento radiativo se esposto a luce solare diretta (applicazione in ambienti esterni).

Come sopra riportato, secondo una forma esecutiva, la resina incorpora un riempitivo termo-conduttivo che ne aumenti la conducibilità termica. La resina, inoltre, incorpora un riempitivo UV-assorbente che filtri la radiazione ultravioletta incidente sul componente, se esso è esposto a luce solare diretta, riducendo i fenomeni di degradazione foto-chimica altrimenti indotti nella resina stessa e la conseguente riduzione delle sue proprietà meccaniche.

La resina è presente nel prepreg nel minimo quantitativo utile a garantire una adeguata impregnazione delle fibre di carbonio di tipo pitch e quindi adeguate proprietà meccaniche per il componente. Per gli scopi della dissipazione termica, infatti, è auspicabile adoperare una quantità di resina il più possibile bassa, essendo questa un isolante termico.

Secondo una forma esecutiva, a livello indicativo, la resina è presente nel prepreg in ragione del 40% in peso o valore inferiore, ed il contenuto di resina è uniforme e costante in tutto il prepreg.

Il prepreg di fibra di carbonio di tipo pitch viene ritagliato in dimensioni opportune, come previsto dal piano di taglio appositamente predisposto allo scopo.

I ritagli di fibre di carbonio pre-impregnate con resina termoindurente, ovvero i ritagli di materiale prepreg vengono laminati su di uno stampo, in alluminio, riproducente la geometria del dissipatore. La finitura “lato stampo”, perfettamente liscia, viene riservata alla superficie del componente che si prevede essere a vista nell’applicazione finale.

Secondo un procedimento di laminazione preferito per la realizzazione del componente secondo la presente invenzione, le fibre di carbonio pre-impregnate ovvero il materiale prepreg vengono laminati in stratificazione bilanciata come riportato in fig. 1, cioè con almeno uno strato di fibra di carbonio in ciascuna delle quattro principali direzioni del piano (0°, ±45°, 90°), in modo da massimizzare la conducibilità termina in-plane del dissipatore.

Secondo il suddetto procedimento, nel caso di fibre di carbonio pre-impregnate (ovvero materiale prepreg) in cui le fibre presentano un orientamento unidirezionale occorrono almeno quattro strati sovrapposti di dette fibre di carbonio pre-impregnate per ottenere una stratificazione bilanciata: il primo strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione 0° (definita arbitrariamente, fig.1-a); il secondo strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione 45° (fig.1-b); il terzo strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione −45° (fig. 1-c); il quarto strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione 90° (fig.1-d). Tale stratificazione può essere indicata sinteticamente come 0°/+45°/−45°/90° (fig. 1).

La sequenza di laminazione dei quattro strati è descritta in dettaglio dalla fig. 5 e può essere modificata ed in particolare invertita.

Al passo 500 viene posizionato sullo stampo il primo strato di fibre di carbonio con orientamento unidirezionale e pre-impregnate. L’orientamento delle fibre è arbitrario e viene assunto come orientamento di riferimento geometrico corrispondente alla direzione 0°. Al passo 510 sul primo strato viene deposto un secondo strato di fibre di carbonio con orientamento unidirezionale e pre-impregnate. L’orientamento di queste fibre rispetto a quelle del primo strato è corrispondente ad una rotazione con un angolo pari a 45° in direzione oraria.

Al passo 520 sul secondo strato viene deposito un terzo strato di fibre di carbonio con orientamento unidirezionale e pre-impregnate. L’orientamento di queste fibre rispetto a quelle del primo strato è corrispondente ad una rotazione con un angolo pari a 45° in direzione antioraria, ovvero opposta a quella del secondo strato di fibre di carbonio.

Al passo 530 sul terzo strato viene deposito un quarto strato di fibre di carbonio con orientamento unidirezionale e pre-impregnate. L’orientamento di queste fibre rispetto a quelle del primo strato è corrispondente ad una rotazione con un angolo pari a 90°, ovvero perpendicolare all’orientamento delle fibre nel primo strato di fibre di carbonio.

Come indicato in figura 4, questi passi sono riassunti quale laminazione bilanciata al passo 400, mentre il processo di finitura del dissipatore ha luogo grazie a passi 410 di consolidamento in forno e/o in autoclave con cui viene portato a termine il processo di polimerizzazione della matrice di resina e con il successivo passo 420 di taglio a formato e/o rifilatura del componente.

Secondo una ulteriore variante del presente processo di fabbricazione, è’ possibile prevedere un numero di strati superiore ai quattro sopra indicati purché permanga la condizione di bilanciamento. A titolo di esempio possono essere eseguite le seguenti stratificazioni:

- sei strati in sequenza 0°/90°/+45°/−45°/90°/0° oppure

- otto strati in sequenza 0°/90°/+45°/−45°/−45°/+45°/90°/0°.

La stratificazione minima, quattro strati in sequenza 0°/+45°/−45°/90°, può essere impiegata previa verifica che i requisiti meccanici del caso siano soddisfatti.

Secondo una ulteriore variante esecutiva è possibile anche utilizzare due strati di tessuto di fibre di carbonio pre-impregnate in cui ciascuno strato di tessuto presenta un intreccio di fibre orientate secondo due direzioni non parallele come ad esempio due strati di fibre di carbonio sotto forma di tessuto plain, twist o satin, o simili.

Ancora secondo una alternativa è possibile combinare fra loro due strati di fibre unidirezionali fra cui è interposto uno strato di fibre di carbonio sotto forma di tessuto con fibre orientate secondo due direzioni diverse fra loro, ad esempio come sopra meglio specificato ed in cui i due strati di fibre unidirezionali presentano orientamenti ruotati fra loro di 90° l’uno rispetto all’altro, mentre lo strato intermedio formato da un tessuto con fibre di carbonio intrecciate ed orientate secondo due direzioni fra loro trasversali, preferibilmente perpendicolari è ruotato rispetto alla direzione delle fibre dei due strati con fibre unidirezionali in misura tale per cui le direzioni delle fibre di carbonio del tessuto con fibre bidirezionali sono ruotate di 45° rispettivamente in senso orario ed antiorario rispetto alle fibre di carbonio con orientamento unidirezionale.

Con riferimento alle condizioni di laminazione bilanciata di più strati di fibre di carbonio secondo una qualsivoglia delle varianti sopra descritte, esperimenti di laboratorio condotti mediante termografia infrarossa hanno dimostrato come un laminato bilanciato, così come sopra definito, si comporti come un buon conduttore termico, paragonabile ad un metallo. Il calore generato dai LED in funzione viene dissipato efficacemente nel piano del laminato cui sono solidali, grazie all’elevata conducibilità termica longitudinale delle fibre di carbonio di tipo pitch ed alla stratificazione bilanciata del laminato stesso. Grazie all’orientazione delle fibre nelle quattro principali direzioni del piano (0°, ±45°, 90°), infatti, si instaura nel laminato un flusso termico stazionario negli otto versi corrispondenti (0, ±45°, ±90°, ±135°, 180°) che disperde il calore per conduzione verso gli spigoli laterali, dove avviene lo scambio convettivo con l’aria circostante come riportato in fig. 2. Questo effetto comporta, come è stato verificato sperimentalmente, che la distribuzione superficiale della temperatura del laminato sia piuttosto uniforme e che la temperatura massima rilevata sia relativamente bassa, addirittura inferiore di alcuni gradi rispetto ad una piastra di alluminio di pari dimensioni usata come controllo. Ciò corrisponde ad una bassa resistenza termica del dissipatore, così come definita nell’equazione (1). Una bassa resistenza termica del dissipatore garantisce che la sua temperatura resti ovunque inferiore alla temperatura di transizione vetrosa della resina, scongiurando la possibilità che si verifichi un indebolimento strutturale del composito attivato termicamente. Inoltre, una bassa resistenza termica del dissipatore garantisce che la temperatura di funzionamento, a regime, dei dispositivi a giunzione rimanga entro i limiti suggeriti dal produttore, massimizzandone di conseguenza la vita utile. Le prestazioni di dissipazione termica sopra descritte non sono parimenti ottenibili con una stratificazione del laminato non-bilanciata, ad esempio prevedendo che le fibre di carbonio di tipo pitch vengano orientate in due sole direzioni del piano (0° e 90°). Tali risultati sono stati confermati dall’analisi FEM termostrutturale del sistema in esame. Le simulazioni numeriche hanno anche dimostrato come un laminato bilanciato esibisca caratteristiche meccaniche superiori rispetto ad un laminato non-bilanciato, consentendo di ottenere coefficienti di sicurezza maggiori rispetto alle sollecitazioni che il componente può sperimentare in esercizio (peso proprio e dei componenti elettronici, forza del vento, ecc.).

Sulla superficie del laminato opposta a quella dello stampo viene disposto il sacco a vuoto: la depressione creata all’interno del sacco grazie all’aspirazione dell’aria da parte di un compressore consente di migliorare l’impregnazione delle fibre e ridurre i vuoti nel componente. La finitura “lato sacco”, non perfettamente liscia, viene riservata alla superficie del componente che si prevede non essere a vista nell’applicazione finale. In alternativa, può essere impiegato un contro-stampo, garantendo una finitura liscia su ambedue le superfici del componente, se richiesto dall’applicazione finale.

Dunque, il componente –all’interno del sacco a vuoto – viene consolidato in forno od in autoclave secondo il ciclo di cura della resina.

Una volta completato il processo di cura, il componente grezzo, così come sformato dallo stampo, viene sottoposto alla rifilatura dei bordi secondo una opportuna maschera di taglio. Si ottiene così il dissipatore in carbonio nella sua geometria definitiva. Tale flusso di lavorazioni è specificato in fig.4.

In alternativa all’addizione nella resina di un riempitivo UV-assorbente, come sopra riportato, è possibile prevedere un post-trattamento del componente finito volto a ridurre i fenomeni di degradazione chimica della resina stessa indotti dall’esposizione prolungata e continuativa agli agenti atmosferici normalmente attivi in una eventuale applicazione in ambienti esterni: irraggiamento ultravioletto, umidità e temperatura, anche in combinazione fra loro. In tal modo si evitano i fenomeni dell’erosione della matrice costituente il composito, della conseguente esposizione della fibra di carbonio sulla superficie del componente e quindi del possibile rilascio nell’ambiente della fibra stessa. A tal scopo è possibile prevedere l’applicazione sul componente finito di un rivestimento protettivo, ad esempio a base poliuretanica, che conferisca alla resina durabilità nel tempo, confrontabile con la vita utile della lampada LED, rispetto agli effetti dell’esposizione ambientale.

Di seguito vengono riportati i dettagli costruttivi relativi ad una particolare configurazione della presente invenzione.

Per la produzione del dissipatore termico in materiale composito si adopera un prepreg unidirezionale puro, cioè uno strato di fibre di carbonio con orientamento unidirezionale e che sono pre-impregnate con una resina termoindurente. L’insieme di fibre di carbonio è privo dell’ordito di contenimento in fibra di vetro o di carbonio ed è ottenuto direttamente da bobina (roving).

Il rinforzo del materiale prepreg sopra descritto è costituito da fibre continue di carbonio di tipo pitch ad alta conducibilità termica longitudinale, dell’ordine di 200 W/(m·K) o valore superiore. La matrice del materiale prepreg è una resina epossidica bicomponente ad alta temperatura di transizione vetrosa (110÷130 °C), appositamente formulata per processi di cura a bassa pressione (sacco a vuoto out-ofautoclave). La resina è caricata, in opportuno tenore, di un riempitivo particellare che ne incrementa la conducibilità termica.

Secondo una forma esecutiva, a titolo di esempio, il riempitivo conduttivo consiste di particelle ceramiche di allumina tri-idrata, addizionate alla resina in ragione del 50% in peso o valore superiore. In tal caso, la conducibilità termica della matrice aumenta da valori dell’ordine di 0,2 W/(m·K) o inferiore (resina pura) a valori dell’ordine di 1 W/(m·K) o superiore (resina caricata).

Secondo una ulteriore caratteristica, la resina, inoltre, incorpora un filtro UV capace di assorbire la componente ultravioletta della radiazione solare eventualmente incidente sul componente in condizioni normali di esercizio (applicazioni outdoor).

Secondo una forma esecutiva, il materiale prepreg unidirezionale a base di fibra di carbonio di tipo pitch presenta un contenuto di matrice dell’ordine di 35÷40% in peso ed una grammatura totale dell’ordine di 500÷600 g/mq o valore inferiore.

Come già precedentemente descritto, il materiale prepreg viene laminato su uno stampo di alluminio in numero di quattro strati sovrapposti in sequenza bilanciata, in modo da massimizzare la conducibilità termina in-plane del dissipatore.

In particolare, il primo strato viene disposto con le fibre orientate in direzione 0° (definita arbitrariamente); il secondo strato viene disposto con le fibre orientate in direzione 45°; il terzo strato viene disposto con le fibre orientate in direzione −45°; il quarto strato viene disposto con le fibre orientate in direzione 90°. La sequenza di laminazione dei quattro strati può essere invertita.

Lo stampo, insieme col prepreg laminato su di esso, viene chiuso mediante un sacco a vuoto ed il componente viene consolidato in forno secondo il ciclo di cura della resina epossidica, ad esempio: 60 minuti a 120 °C, 90 minuti a 110 °C oppure 120 minuti a 100 °C.

La figura 2 mostra un esempio schematico in cui un dissipatore 1 secondo quanto precedentemente descritto è combinato ad esempio mediante adesivo bifacciale termoconduttivo ad un circuito elettronico 3 che comprende almeno una sorgente di luce del tipo LED 301 montata su un circuito stampato 302

Nella figura 3 viene mostrata una vista laterale esplosa in cui sono visibili, il dissipatore planare 1, sotto forma di piastra o simili, lo strato di adesivo termoconduttivo indicato con 2 ed il circuito elettronico 3 che comprende la scheda o basetta di circuito stampato o simili 302 su cui sono montati i LED 301.Si fa notare come tali circuiti elettronici siano noti e pertanto non vengono descritti in dettaglio poiché gli stessi non formano oggetto della presente invenzione, Le schede possono comprendere i singoli led oppure anche altri componenti elettronici circuitale per un circuito di alimentazione e/o controllo dei LED.

Si è così mostrato che il dissipatore di calore planare in materiale composito ad alta conducibilità termica e ad alta resistenza, descritto secondo la presente invenzione, raggiunge gli scopi e i compiti prefissati, risolvendo le problematiche della tecnica nota.

Numerose modifiche possono essere effettuate dall’esperto del ramo senza uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione. L’ambito di protezione delle rivendicazioni, quindi, non deve essere limitato dalle illustrazioni o dalle forme di realizzazione preferite mostrate nella descrizione in forma di esempio, ma piuttosto le rivendicazioni devono comprendere tutte le caratteristiche di novità brevettabile deducibili dalla presente invenzione, incluse tutte le caratteristiche che sarebbero trattate come equivalenti dal tecnico del ramo.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dissipatore di calore in materiale composito sotto forma di elemento planare caratterizzato da una combinazione di fibre di rinforzo in carbonio, unidirezionali e termicamente conduttive incorporate in una matrice polimerica costituita da una resina epossidica termoindurente.
2. 2) Dissipatore secondo la rivendicazione 1, in cui le fibre di carbonio sono di tipo pitch.
3. 3) Dissipatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la matrice polimerica è costituita da una resina epossidica termoindurente che incorpora un riempitivo conduttivo che ne aumenti la conducibilità termica.
4. 4) Dissipatore di calore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui la matrice polimerica contiene un riempitivo UV assorbente che filtra la radiazione ultravioletta incidente sul componente.
5. 5) Dissipatore di calore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è composto da due o più, preferibilmente almeno quattro strati di fibre di carbonio pre-impregnate e laminate l’una sull’altra i quali quattro strati comprendono ciascuno uno strato di fibre orientate unidirezionalmente nell’ambito dello stesso strato essendo i detti strati disposti l’uno sull’altro secondo una sequenza di sovrapposizione bilanciata ovvero secondo cui l’orientamento delle fibre di carbonio dei singoli strati relativamente alla direzione di un primo strato di fibre di carbonio il cui orientamento è definito come riferimento a 0° è di 45°/-45°/90°.
6. 6) Dissipatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che è composto da: un primo strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione 0°; un secondo strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione 45°; un terzo strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione −45°; un quarto strato con le fibre di carbonio orientate tutte od almeno prevalentemente in direzione 90°; i detti strati essendo sovrapposti fra loro in condizione di combinazioni di fibre di carbonio orientate unidirezionalmente nell’ambito di uno strato e pre-impregnate con una matrice di resina termoindurente in condizione di parziale indurimento, ovvero polimerizzazione, ed i detti strati essendo fissati l’uno all’altro mediante compressione l’uno contro l’altro e consolidamento mediante riscaldamento secondo il ciclo di cura ovvero indurimento o polimerizzazione della resina epossidica.
7. 7) Dissipatore secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 1 a 5 caratterizzato dal fatto che presenta una sequenza di disposizione degli strati secondo una delle seguenti alternative: - sei strati in sequenza 0°/90°/+45°/−45°/90°/0° oppure - otto strati in sequenza 0°/90°/+45°/−45°/−45°/+45°/90°/0°.
8. 8) Procedimento di fabbricazione per un dissipatore di calore in materiale composito comprendente i seguenti passi: prevedere almeno uno strato di fibre di carbonio, preferibilmente di tipo pitch, le quali fibre presentano tutte un’unica direzione sostanzialmente identica nell’ambito del detto strato, le quali fibre sono pre-impregnate con una resina termoindurente che è in condizione di parziale indurimento ovvero di parziale polimerizzazione, ovvero uno strato di cosiddetto prepreg; sottoporre il detto strato a compressione ed a complemento del processo di indurimento, ovvero di polimerizzazione del detto strato di fibre di carbonio per-impregnate ovvero del detto prepreg.
9. 9) Procedimento secondo la rivendicazione 8 in cui sono previsti i seguenti passi: prevedere due o più, preferibilmente almeno quattro strati di fibre di carbonio, preferibilmente di tipo pitch, le quali fibre presentano tutte un’unica direzione sostanzialmente identica nell’ambito del corrispondente strato, le quali fibre sono preimpregnate con una resina termoindurente che è in condizione di parziale indurimento ovvero di parziale polimerizzazione, ovvero due o più, preferibilmente quattro strati di cosiddetto prepreg; sovrapporre i detti due o più, preferibilmente i detti quattro strati l’uno sull’altro ruotando gli stessi l’uno rispetto all’altro in modo tale per cui le fibre di ciascuno strato sono orientate secondo una diversa direzione rispetto alle fibre degli altri strati; preferibilmente ed opzionalmente disporre i singoli strati l’uno sull’altro con un orientamento relativo fra le direzioni delle fibre dei diversi strati fra loro secondo i seguenti angoli 0° per il primo strato, 45° in senso orario rispetto al primo strato, per il secondo strato, 45° in senso antiorario rispetto al primo strato, per il terzo strato, 90° rispetto al primo strato, per il quarto strato; sottoporre la detta combinazione di strati sovrapposti a compressione ed a consolidamento mediante complemento del processo di indurimento, ovvero di polimerizzazione della matrice di resina epossidica.
10. 10) Metodo secondo le rivendicazioni 8 o 9, in cui il numero degli strati da sovrapporre può essere maggiore di quattro ed opzionalmente secondo una delle due alternative: - sei strati in sequenza 0°/90°/+45°/−45°/90°/0° oppure - otto strati in sequenza 0°/90°/+45°/−45°/−45°/+45°/90°/0°.
11. 11) Metodo secondo una delle rivendicazioni 8 a 10, in cui almeno uno dei due strati più esterni presenta una faccia a vista con finitura liscia mediante compressione contro la superficie di formatura di uno stampo.
12. 12) Combinazione di dissipatore di calore in materiale composito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti con un circuito elettronico sotto forma di scheda il quale circuito elettronico comprende almeno un elemento generatore di energia termica, in particolare una sorgente luminosa di tipo LED ed in cui il detto circuito elettronico, ovvero la detta scheda è accoppiata mediante biadesivo termico (2) ad una faccia a vista del detto dissipatore planare.
13. 13) Lampada a LED comprendente un dissipatore di calore del tipo secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 7 o una combinazione di dissipatore elettronico e circuito elettronico secondo la rivendicazione 12.