Gestión del calor en forma líquida y materiales termoconductores

La gestión del calor es un aspecto importante para el funcionamiento seguro y eficiente de los dispositivos mecánicos y eléctricos, aunque a menudo no sea visible desde el exterior. Impulsado por las tendencias de electrificación, digitalización y miniaturización, este proceso es cada vez más importante. Esto va de la mano con requisitos cada vez mayores desde una perspectiva técnica y comercial.

Estado del arte, desafíos y oportunidades utilizando la tecnología de cavidad progresiva

Desde dispositivos portátiles y vehículos eléctricos hasta equipos para la provisión de infraestructura de Internet y comunicaciones móviles a nivel nacional, la generación y disipación de calor deben considerarse y regularse en todas partes. Durante la fabricación de estos productos, por lo tanto, se debe prestar atención a un diseño seguro del proceso del material conductor de calor, así como al equipo necesario para este fin, a fin de garantizar una funcionalidad segura a largo plazo. Esto se aplica tanto a la producción como al uso posterior de los productos.

Ejemplos de tareas de dosificación en la gestión del calor:

Características de los materiales conductores de calor y sus desafíos resultantes

Una parte del diseño de la gestión del calor suele ser que el material termoconductor se aplique en forma líquida, como una pasta o un adhesivo, por ejemplo. El término “materiales de interfaz térmica” (TIM) se ha establecido para este tipo de material. Su tarea es acoplar térmicamente dos o más componentes entre sí para disipar el calor que se genera. El acoplamiento de esta manera puede ser necesario debido a tolerancias de fabricación, restricciones de diseño o una combinación de ambos. Para poder garantizar la conductividad térmica (W/m*K), las pastas o adhesivos de uno o dos componentes mencionados anteriormente se cargan a veces, en gran medida, con rellenos. Estos pueden ser de naturaleza cerámica o metálica. Dependiendo del material de relleno utilizado, la conductividad deseada y los factores de costo, estos rellenos pueden tener diferentes formas y tamaños. Cuando se aplican, a menudo muestran un comportamiento abrasivo, lo que a su vez puede conducir a un desgaste comparativamente rápido del equipo de distribución utilizado. Esto puede conducir a un proceso inestable si la configuración (material, equipo de dosificación y parámetros del proceso) no coincide correctamente. El resultado puede ser interrupciones en la producción y mayores costos de repuestos y mantenimiento. Lo cual se vería reflejado en los costos unitarios.

Soluciones propuestas para la aplicación segura de procesos de materiales de interfaz térmica

Debido a la importancia cada vez mayor de la gestión del calor y la creciente demanda de TIM, actualmente se está buscando varios enfoques para optimizar aún más el manejo de dichas pastas o adhesivos. Una posibilidad es procesar estos materiales mediante tecnología de cavidades progresivas, tanto en el suministro y tratamiento, como en la aplicación sobre las piezas. Durante este proceso, el material a dosificar se transporta de forma puramente volumétrica y continua por medio de un rotor giratorio y un estator fijo. Este proceso se caracteriza por su modo de operación que ejerce bajos esfuerzos cortantes y, por lo tanto, respetuoso con el material, combinado con una alta precisión y repetibilidad.

Específicamente para el diseño y la selección de materiales de la combinación rotor-estator, existen varias posibilidades para adaptar perfectamente el sistema de dosificación a la aplicación y al TIM. En el caso del rotor, es posible fabricarlo íntegramente en cerámica o dotarlo de un recubrimiento especial multicapa para aumentar significativamente su vida útil.

Cuando se trata del estator, los elastómeros, especialmente adaptados para materiales abrasivos, ofrecen posibilidades de optimización adicionales. En combinación con los parámetros de proceso apropiados, el rendimiento y la vida útil del sistema se pueden aumentar muchas veces en comparación con una configuración estándar. Esto ha sido confirmado por numerosas pruebas de laboratorio, así como en aplicaciones actuales. También puede valer la pena una comparación técnica y comercial con otras soluciones: debido a los menores costos de mantenimiento y configuración, es posible una amortización rápida.

Tendencias en el campo de los materiales termoconductores

Así como en el desarrollo del equipo para el procesamiento y aplicación de TIM, los materiales en sí también están en continuo desarrollo. De esta manera, los fabricantes están respondiendo a las necesidades actuales y futuras del mercado. Los factores clave de este desarrollo son el aumento de la conductividad térmica y velocidades de proceso más rápidas. Estos requisitos se pueden cumplir adaptando continuamente los materiales de relleno. Como en muchas otras áreas, aquí existe un gran potencial en el uso de nanotubos de plástico (Nanotubos de carbono - CNT). Estos se caracterizan por una excelente conductividad térmica y eléctrica. Estas propiedades se mejoran aún más cuando los CNT no se organizan al azar, sino que se empaquetan de forma compacta con su eje longitudinal alineado perpendicularmente a la superficie del sustrato. El término "matriz de nanotubos de carbono alineados verticalmente" (VANTA en resumen) se ha establecido. La alineación es posible, por ejemplo, mediante la aplicación de un campo (eléctrico) externo. Numerosos enfoques a esto son actualmente objeto de investigación en todo el mundo. Queda por ver si, en qué medida y cuándo, los CNT, posiblemente en forma de VANTA, experimentarán un gran avance en el campo de los TIM. Si existen TIM líquidos basados ​​en estos materiales, es necesario examinar qué requisitos especiales imponen al proceso de producción.

En el caso de la tecnología de cavidades progresivas, ya es posible adaptar el sistema a las propiedades de los materiales conductores de calor, a veces altamente abrasivos. Si esto fuera necesario en el futuro para los TIM basados ​​en CNT (por la razón que sea), los expertos en tecnología de cavidades progresivas de ViscoTec buscarán y encontrarán una solución para esto, de la mano de socios externos en un equipo inter-disciplinario.

Resumen y perspectiva

Ya sea en el reloj inteligente de nuestra muñeca, el automóvil eléctrico o el proveedor de telefonía celular: los TIM realizan su trabajo de manera constante y discreta en todas partes, lo que facilita nuestra vida cotidiana. Con un desarrollo continuo y una adaptación al material abrasivo, la tecnología de cavidades progresivas es un sistema ideal para la solución completa de tareas de transporte y dosificación con TIM. ViscoTec ofrece diversas soluciones para este fin, desde sistemas de vaciado y tratamiento de material hasta dosificadores en la gama de microlitros (marca preeflow®). Contáctanos para conocer más sobre los desafíos actuales, pero especialmente sobre proyectos para la "próxima generación" de TIM en combinación con CNT o VANTA.

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