IT201800005278A1

IT201800005278A1 - Piste termiche.

Info

Publication number: IT201800005278A1
Application number: IT102018000005278A
Authority: IT
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2019-11-11

Description

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda la realizzazione di piste termiche, realizzate su base metallica, mediante rivestimento multistrato di rame e grafene, poste all’interno e/o sulla superficie di componenti metallici e/o non metallici, utili per la dissipazione direzionale di calore.

In accordo con la presente invenzione il termine “piste termiche” include il significato: “canali ad elevata conducibilità termica atti a fornire delle vie preferenziali per la veicolazione e la dissipazione del calore”.

A titolo di esempio, ma non esclusivamente, dette piste termiche possono essere impiegate in applicazioni domestiche (quali sistemi di riscaldamento, radiatori elettrici, pannelli elettici, pannelli solari o altro), in applicazioni industriali (quali industria di processo meccanico, chimico, ecc.) nel settore dei trasporti/automotive.

Per trasmissione del calore (o scambio termico) si intende il trasferimento di calore (ovvero energia termica) tra due sistemi, che è causato da una differenza di temperatura tra i due sistemi in questione. Se durante tale processo non viene prodotto calore, il calore ceduto da un sistema viene acquistato dal secondo sistema, in accordo con la legge di conservazione dell'energia.

Dal punto di vista applicativo, la trasmissione del calore è studiata per tre attività fondamentali che sono di uso comune quasi in tutti gli impianti:

• la conservazione di calore;

• la dissipazione di calore;

• il freecooling.

La dissipazione di calore

Spesso in alcuni sistemi si genera del calore che rappresenta un danno ed un problema. Questo calore infatti deve essere dissipato (smaltito) perché manda in temperatura eccessiva il sistema. Questo è il caso, ad esempio, di motori endotermici che si riscaldano e devono essere raffreddati, pena la fusione dei cilindri.

Trasmissione del calore negli impianti tecnologici

La trasmissione del calore negli impianti tecnologici ha una importanza rilevante perché spesso dove si produce il calore non è il posto dove realmente serve. Nel passato, (ed in parte anche oggi) c'era il camino nelle stanze ed il problema del trasferimento del calore non esisteva in quanto il posto in cui si bruciava la legna (sorgente di calore) coincideva anche con il posto in cui vi era necessità di calore. Oggi il calore si produce con fonti di energia diverse come ad esempio il carbone, l'energia elettrica, il gas, il gasolio, ed il luogo dove si produce il calore, è spesso lontano per motivi di sicurezza, da dove si ha necessità. Per questo motivo la tecnologia negli anni ha studiato varie forme di vettore per trasferire il calore da una parte all'altra.

I termo-vettori più utilizzati nell'impiantistica per la trasmissione del calore sono: aria, acqua, gas, vapore.

Il calore viene ceduto attraverso delle batterie di scambio (scambiatori) al termo-vettore che viene spostato dalla sorgente di calore fino al posto dove questo calore serve e qui il termo-vettore lo cede all'ambiente attraverso un nuovo scambiatore

TECNICA NOTA

In US20060063018A1 viene descritto un materiale laminare per la dissipazione del calore, che include almeno un foglio di grafite flessibile inserito tra due strati esterni di materiale plastico o metallico.

In WO2014/141071 viene descritto un metodo per la preparazione di schiume metalliche rivestite, mediante un processo di elettrodeposizione, con una matrice metallica e grafene.

Nell’arte non sono descritte o suggerite le piste termiche realizzate su base metallica, oggetto della presente invenzione.

DESCRIZIONE DELLE FIGURE

La figura 1 rappresenta l’analisi termica, effettuata mediante termo-camera, di un campione in alluminio di forma cilindrica, in cui:

- il campione A) è un cilindro in alluminio senza alcuna pista termica al suo interno;

- il campione B) è il cilindro del punto A) in cui al centro è presente una pista termica costituita da un cilindretto in alluminio completamente rivestito in rame;

il campione C) - oggetto della presente invenzione - è il cilindro del punto A) in cui al centro è presente una pista termica costituita da un cilindretto in alluminio rivestito con i sette strati di seguito riportati:

- rame;

- rame-grafene;

- rame;

- rame-grafene;

- rame;

- rame-grafene;

- rame.

La figura 2 rappresenta una vista dall’alto del campione C) di figura 1, oggetto della presente invenzione, comprendente:

- un cilindretto in alluminio (1) rivestito con i sette strati di seguito riportati:

- rame (2);

- rame-grafene (3);

- rame (2);

- rame-grafene (3);

- rame (2);

- rame-grafene (3);

- rame (2);

- un cilindro esterno (4) in alluminio, all’interno del quale è inserito il cilindretto (1) rivestito.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

È pertanto un oggetto della presente invenzione una pista termica, per la dissipazione di calore, comprendente (dall’interno verso l’esterno):

- almeno un inserto di forma geometrica solida, in materiale metallico scelto nel gruppo comprendente alluminio, rame, acciaio, ghisa, titanio, magnesio, nichel, argento, oro e/o loro leghe; preferito è l’alluminio, rappresentato in figura 2 con il numero (1);

in cui detto inserto in materiale metallico:

- (A) è rivestito con:

- uno strato di rame rappresentato in figura 2 con il numero (2); in cui detto strato di rame ha uno spessore che varia da 1 a 100 micron;

- uno strato in rame-grafene rappresentato in figura 2 con il numero (3); in cui detto strato di rame-grafene ha uno spessore che varia da 1 a 100 micron, ed in cui in alternativa al grafene possono essere utilizzati derivati della grafite/grafene scelti nel gruppo comprendente: nanografite, ossido di grafene, piccoli blocchi di grafene, nano piastrine di grafene, carbonio e/o nanotubi di carbonio;

- ulteriori strati di rame (2) e rame-grafene (3), ripetuti alternativamente per “n” volte, in cui “n” è un numero intero compreso tra 2 e 100;

- (B) ha una sezione di varie forme con una superficie variabile da 1 mm<2 >a 100 cm<2>.

In accordo con la presente invenzione di seguito, al posto del termine “inserto di forma geometrica solida”, si utilizzerà il termine “cilindretto” sia nel testo che nelle rivendicazioni. Per cilindretto, in accordo con la presente invenzione, si intende indifferentemente un parallelepipedo di qualsiasi sezione/forma.

Le piste termiche in accordo con la presente invenzione possono essere inserite all’interno di un componente metallico e/o non metallico (di qualsiasi tipo e “abbastanza” resistente al calore), in qualsiasi punto, a diverse profondità e/o sulla in superficie, così creando dei canali ad elevata conducibilità termica atti a fornire delle vie preferenziali per la veicolazione/dissipazione del calore fuori da detto componente metallico e/o non metallico.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento per la preparazione di piste termiche, comprendente:

- 1a fase – deposizione, su di un componente in materiale metallico di un primo strato di rame mediante un metodo di deposizione scelto nel gruppo comprendente: elettrodeposizione, plasma spray e/o deposizione in bagno chimico; in cui lo spessore del rivestimento del primo strato varia da 1 a 100 micron;

- 2<a >fase - elettrodeposizione di uno strato di rame, o di una sua lega, e grafene, sullo strato di rame della fase 1; in cui lo spessore del rivestimento del secondo strato varia da 1 a 100 micron;

- 3<a >fase - elettrodeposizione di uno strato di rame, o di una sua lega, sullo strato della fase 2; in cui lo spessore del rivestimento del terzo strato varia da 1 a 100 micron;

ed in cui:

- la seconda e la terza fase vanno ripetute (alternativamente) “n” volte, in cui “n” è un numero intero compreso tra 2 e 100;

- i bagni elettrolitici della 1<a >fase, della 2<a >fase e della 3<a >fase, contengono gli stessi reagenti usati nella elettrodeposizione convenzionale di metalli, leghe metalliche o materiali compositi a matrice metallica;

- il bagno elettrolitico della seconda fase contiene grafene e/o nanografite in concentrazioni che variano da 0,01 grammi per litro a 1 grammo per litro;

- la densità di corrente della prima fase varia in un intervallo di 0,2-40 mA/cm<2>;

- la densità di corrente della seconda fase varia da 0,02 a 0,2 mA/cm<2>; - la temperatura è compresa in un intervallo di 20-100°C;

- la durata complessiva del processo è funzione del valore della densità di corrente e varia da 5 minuti a 3 ore;

- i bagni elettrolitici sono posti in agitazione, preferibilmente agitazione magnetica, per favorire l’uniformità del rivestimento.

La selezione dei parametri di processo: densità di corrente, temperatura e durata del processo di deposizione, determina le proprietà del rivestimento, come spessore, durezza, duttilità e omogeneità.

- almeno una 1<a >fase; in cui lo spessore del rivestimento del primo strato varia da 1 a 100 micron;

- almeno una 2<a >fase; in cui lo spessore del rivestimento del secondo strato varia da 1 a 100 micron;

- almeno una 3<a >fase; in cui lo spessore del rivestimento del terzo strato varia da 1 a 100 micron.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento per la preparazione di piste termiche, in cui la corrente elettrica utilizzata è continua, pulsata e/o pulsata-alternata.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento per la preparazione di piste termiche in cui i materiali usati per il processo di rivestimento multistrato sono scelti nel gruppo comprendente: rame, leghe di rame, grafene, nano grafite, ossido di grafene, piccoli blocchi di grafene, nano piastrine di grafene, carbonio e/o nanotubi di carbonio. In particolare l’utilizzo del grafene e della nanografite permette un notevole incremento della conducibilità termica rispetto all’impiego del solo rame.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento per la preparazione di piste termiche in cui i componenti metallici nei quali vengono inserite dette piste termiche, sono scelti scelto nel gruppo comprendente: alluminio, rame, acciaio, ghisa, titanio, magnesio, nichel, argento, oro e/o loro leghe

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento per la preparazione di piste termiche in cui i componenti non metallici, nei quali vengono inserite dette piste termiche, sono scelti scelto nel gruppo comprendente: policarbonato, polietilene, polietilentereftalato, polimetilmetacrilato, polipropilene, polistirene, cloruro di polivinile, poliammide, ABS, PLA e/o politetrafluoroetilene.

È un ulteriore oggetto della presente invenzione un procedimento per la preparazione di piste termiche

in cui:

- dette piste termiche, dopo essere state rivestite, vengono inserite all’interno di un componente metallico e/o non metallico attraverso un processo fusorio, in cui per processo fusorio si intende la deposizione di un metallo o di un non metallo, in forma liquida, intorno alla pista termica,

oppure,

- il processo di rivestimento viene effettuato direttamente sulla superficie di un componente metallico, con ottenimento di una pista termica posizionata superficialmente;

-il cilindro rivestito è inserito all’interno di un componente metallico o nonmetallico in uno spazio avente la stessa forma e volume, usando una leggera pressione;

- la pista termica è localizzata sulla superficie di un componente metallico o non metallico da raffreddare.

Nel caso di rivestimento diretto sulla superficie, occorre ricoprire detta superficie con un materiale isolante lasciando libera la traccia che dovrà essere rivestita. Il materiale di base funge da catodo. L’anodo sacrificale in rame, la cui dimensione è superiore alla superficie da rivestire, si affaccia sulla superficie del componente. La distanza dell’anodo dalla superficie esterna da rivestire varia da 1 a 10 cm.

L’inserimento di piste termiche all’interno e/o sulla superficie di un componente metallico o non metallico, per la creazione di canali preferenziali per la dissipazione del calore, permette di migliorare fino al 60% la conducibilità termica. La valutazione della conducibilità termica venne valutata mediante l’impiego di una termo-camera per esaminare l’andamento della distribuzione del calore nel componente a fronte di una sorgente termica a potenza nota (si veda Figura 1).

Nel seguito vengono riportati alcuni esempi che illustrano ulteriormente l’invenzione senza limitarla.

DETTAGLIATA DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

ESEMPIO 1

Procedimento di preparazione multistrato (tre strati) di una pista termica per migliorare la conducibilità termica.

L’elemento da inserire all’interno del componente era in alluminio e presentava una sezione quadrata di dimensioni 1 × 1 mm<2>.

L’elettrodeposizione del componente in rame fu suddivisa in 3 fasi.

Il bagno della prima e della terza fase fu realizzato attraverso l’uso di: 60g/l di H2SO4, 150 g/l di CuSO4 e 50 ppm di CuCl.

Il bagno della seconda fase fu realizzato attraverso l’uso di:

150 g/l di CuSO4 e 0,33 g/l di grafene 50 ppm di CuCl.

Spessore del rivestimento del primo strato: 20 micron.

Spessore del rivestimento del secondo strato: 5 micron.

Spessore del rivestimento del terzo strato: 20 micron.

L’anodo fu realizzato con due lamine in rame di dimensioni 3,5 × 5 cm<2 >e 2 mm di spessore.

I parametri dell’elettrodeposizione per la prima fase furono:

Corrente = 0,24 A ; tempo = 15 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

I parametri della seconda fase furono:

Corrente = 0,01 A; tempo = 250 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

I parametri dell’elettrodeposizione per la terza fase furono:

Corrente = 0,24 A ; tempo = 64 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

La temperatura fu mantenuta costante a 60°C.

Con il procedimento sopra descritto venne preparata una pista termica con un triplice rivestimento (rame, rame-grafene, rame) uniformemente distribuito. Tale pista termica venne inglobata mediante un processo di fonderia all’interno di un componente in alluminio a sezione quadrata di dimensioni 5 × 5 mm<2>.

La nuova configurazione mostrò, rispetto a quella tradizionale, un miglioramento della conducibilità termica del 35%.

ESEMPIO 2

Procedimento di preparazione multistrato (sette strati) di una pista termica per migliorare la conducibilità termica.

L’elettrodeposizione del componente in alluminio fu suddivisa in 7 fasi come di seguito indicato:

a seguito del primo deposito di rame della prima fase vennero ripetute alternativamente la seconda e la terza fase, per tre volte, fino al raggiungimento di un totale di 7 strati.

Il bagno della prima e della terza fase fu realizzato attraverso l’uso di:

60g/l di H2SO4, 150 g/l di CuSO4 e 50 ppm di CuCl.

Il bagno della seconda fase fu realizzato attraverso l’uso di:

150 g/l di CuSO4 e 0,33 g/l di grafene 50 ppm di CuCl.

Spessore del rivestimento del primo strato: 20 micron

Spessore del rivestimento del secondo strato: 5 micron.

Spessore del rivestimento del terzo strato: 20 micron.

Spessore del rivestimento del quarto strato: 5 micron.

Spessore del rivestimento del quinto strato: 20 micron.

Spessore del rivestimento del sesto strato: 5 micron.

Spessore del rivestimento del settimo strato: 20 micron.

I parametri dell’elettrodeposizione per la prima fase furono:

Corrente = 0,24 A ; tempo = 15 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

I parametri della seconda fase furono:

Corrente = 0,01 A; tempo = 250 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

I parametri dell’elettrodeposizione per la terza fase furono:

Corrente = 0,24 A ; tempo = 64 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

La temperatura fu mantenuta costante a 60°C.

Con il procedimento sopra descritto venne preparata una pista termica con un rivestimento a sette strati (rame, rame-grafene, rame, rame-grafene, rame, rame-grafene, rame) uniformemente distribuito. Tale pista termica è stata inglobata mediante un processo di fonderia all’interno di un componente in alluminio a sezione quadrata di dimensioni 7 × 7 mm<2>.

La nuova configurazione mostrò, rispetto a quella tradizionale, un miglioramento della conducibilità termica del 60%.

ESEMPIO 3

Procedimento di preparazione superficiale di una pista termica per migliorare la conducibilità termica.

Il rivestimento venne effettuato direttamente sulla superficie di un componente di alluminio che presentava una sezione quadrata di dimensioni 5 × 5 mm<2>.

Detta superficie del componente in alluminio venne ricoperta con un materiale isolante lasciando libera la traccia che doveva essere rivestita.

La traccia venne rivestita attraverso elettrodeposizione suddivisa in 7 fasi come di seguito indicato:

Il bagno della prima e della terza fase fu realizzato attraverso l’uso di:

60g/l di H2SO4, 150 g/l di CuSO4 e 50 ppm di CuCl.

Il bagno della seconda fase fu realizzato attraverso l’uso di:

150 g/l di CuSO4 e 0,33 g/l di grafene 50 ppm di CuCl.

Spessore del rivestimento del primo strato: 20 micron.

Spessore del rivestimento del secondo strato: 4 micron.

Spessore del rivestimento del terzo strato: 20 micron.

Spessore del rivestimento del quarto strato: 4 micron.

Spessore del rivestimento del quinto strato: 20 micron.

Spessore del rivestimento del sesto strato: 4 micron.

Spessore del rivestimento del settimo strato: 20 micron.

L’anodo fu realizzato con due lamine in rame di dimensioni 5 × 10 cm<2 >e 2 mm di spessore.

I parametri dell’elettrodeposizione per la prima fase furono:

Corrente = 0,24 A ; tempo = 15 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

I parametri della seconda fase furono:

Corrente = 0,01 A; tempo = 250 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

I parametri dell’elettrodeposizione per la terza fase furono:

Corrente = 0,24 A ; tempo = 64 minuti e agitazione = 3,5 rpm.

La temperatura fu mantenuta costante a 60°C.

Con il procedimento sopra descritto venne preparata una pista termica con un rivestimento a sette strati (rame, rame-grafene, rame, rame-grafene, rame, rame-grafene, rame) uniformemente distribuito.

Il materiale di base funse da catodo. L’anodo sacrificale in rame, la cui dimensione era superiore alla superficie da rivestire, si affacciava sulla superficie del componente. La distanza dell’anodo dalla superficie esterna da rivestire fu di 2 cm.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pista termica per la dissipazione di calore, comprendente almeno un cilindretto in materiale metallico; in cui detto cilindretto in materiale metallico: - (a) è rivestito con uno primo strato di rame; - (b) il cilindro dello step (a) è ulteriormente rivestito con secondo strato in rame-grafene; o rame-e un derivato del grafene; - (c) il cilindro dello step (b) è ulteriormente rivestito con un terzo strato di rame.
2. Pista termica della rivendicazione 1 in cui il derivato del grafene è scelto nel gruppo comprendente: grafite, nano grafite, ossido di grafene, piccoli blocchi di grafene, nano piastrine di grafene, carbonio e/o nanotubi di carbonio.
3. Pista termica della rivendicazione 1 in cui lo step (b) e lo step (c) sono ripetuti alternativamente “n” volte ed in cui “n” è un numero intero compreso tra 2 e 100.
4. Pista termica della rivendicazione 1 in cui: - il cilindretto ha una sezione con una superficie variabile da 1 mm<2 >a 100 cm<2>; - il metallo del cilindretto è scelto nel gruppo comprendente: alluminio, rame, acciaio, ghisa, titanio, magnesio, nichel, argento, oro e/o loro leghe; preferito è l’alluminio.
5. Procedimento per la preparazione delle piste termiche della rivendicazione 1, comprendente: 1<a >fase – deposizione, sul cilindro metallico, di un primo strato di rame mediante un metodo di deposizione scelto nel gruppo comprendente: elettrodeposizione, plasma spray e/o deposizione in bagno chimico; 2<a >fase - elettrodeposizione di un secondo strato di rame e grafene, sul cilindro della fase 1; 3<a >fase - elettrodeposizione di un terzo strato di rame, sul cilindro della fase 2; ed in cui la seconda e la terza fase sono ripetute alternativamente “n” volte, ed in cui “n” è un numero intero compreso tra 2 e 100.
6. Procedimento della rivendicazione 5, in cui: - lo spessore del rivestimento del primo strato è tra 1 a 100 micron; - lo spessore del rivestimento del secondo strato è tra 1 a 100 micron; - lo spessore del rivestimento del terzo strato è tra 1 a 100 micron.
7. Procedimento della rivendicazione 5, in cui detto cilindro rivestito è inserito all’interno di un componente metallico attraverso un processo fusorio.
8. Procedimento della rivendicazione 5, in cui detto cilindro rivestito è inserito all’interno di un componente metallico o non-metallico, in uno spazio avente la stessa forma e volume, usando una leggera pressione.
9. Procedimento della rivendicazione 5, in cui le piste termiche sono localizzate sulla superficie di un componente metallico o non metallico da raffreddare.
10. Procedimento delle rivendicazioni 8-9, in cui detto componente metallico è scelto nel gruppo comprendente: alluminio, rame, acciaio, ghisa, titanio, magnesio, nichel, argento, oro e/o loro leghe; ed in cui detto componente non-metallico è scelto nel gruppo comprendente: policarbonato, polietilene, polietilentereftalato, polimetilmetacrilato, polipropilene, polistirene, cloruro di polivinile, poliammide, ABS, PLA e/o politetrafluoroetilene.