Dissipazione termica
Criteri di scelta e applicazioni della pasta termoconduttiva per alto coefficiente di scambio termico

Che cos’è la termoconduzione e perché è importante?

La termoconduzione è un fattore critico quando un componente deve trasferire calore in modo stabile e controllato. In ambito industriale, la scelta del materiale o della soluzione tecnica dipende da temperatura di esercizio, geometria del componente, continuità del contatto e requisiti applicativi.

Una dissipazione di calore efficace può instaurarsi  solo tra materiali caratterizzati da elevati coefficiente di conducibilità . Una catena di trasferimento termico mal progettata può causare perdite di energia e di efficienza o addirittura un'interruzione dell'effetto dissipativo con relativa perdita di funzionalità del dispositivo meccanico. 

I casi più frequenti in cui è necessario trasferire rapidamente calore da un elemento all'altro sono riconducibili a:

• Scambiatori di calore 
• Surriscaldamento per attrito di componenti meccanici come motori o riduttori
• Processori i componenti in apparecchiature elettroniche

Le metodologie disponibili sul mercato sono varie ed efficaci, e richiedono una precisa analisi delle condizioni di esercizio termiche e ambientali:

• Ventole 
• Fogli di alluminio
• Radiatori 
• Dissipatori
• Gomme conduttive

In  alcuni casi però, l'impiego di una soluzione "rigida" potrebbe non essere adeguata al contesto applicativo, per effetto, ad esempio, della mancanza di planarità e della conseguente interposizione tra le lamine conduttive di sacche d'aria isolanti, la cui presenza comprometterebbe l'effetto dissipativo: l'aria è una miscela di gas a bassa coefficiente di conducibilità se comparata con i metalli o altri materiali conduttivi.

In questo caso può essere di aiuto l'impiego di una pasta termoconduttiva.

Una pasta termoconduttiva è un composto plastico ad alta conducibilità termica che asseconda le imperfezioni geometriche dell'accoppiamento. Una buona pasta termoconduttiva non può prescindere da un'accurata selezione dei suoi elementi costitutivi:

• Filler conduttivo
• Olio base
• Additivi
• Agenti tixotropici

La selezione del filler conduttivo e del suo coefficiente di scambio termico condiziona l'efficienza della dissipazione, mentre olio base, additivi e agenti tixotropici determinano altre proprietà fondamentali:

• Permanenza contro la gravità nella posizione applicata
• Evaporazione ed essiccazione per effetto termico
• Tendenza alla separazione dell'olio dal filler
• Compatibilità con i materiali delle superfici a contatto
• Tendenza alla carbonizzazione
• Incorporazione di aria e riduzione del potere conduttivo
• Agevole dosaggio e deposizione del film 

Una pasta termica viene classificata sulla base della sua conducibilità termica specifica, il cui valore è condizionato principalmente dalla tipologia di filler e dalla sua concentrazione.

Quando usare una pasta termoconduttiva

In presenza di discontinuità di contatto o di scarsa planarità tra le superfici, l’impiego di una pasta termoconduttiva può contribuire a migliorare l’interfaccia termica e a rendere più efficace il trasferimento di calore.

In quali applicazioni è necessario trasferire rapidamente il calore?

La necessità di trasferire calore in modo rapido e controllato si presenta con frequenza in diversi contesti industriali e tecnici, tra cui:

• scambiatori di calore
• componenti meccanici soggetti a surriscaldamento per attrito, come motori e riduttori
• processori e componenti di apparecchiature elettroniche

La produzione di un pasta termica richiede un processo sotto controllo costante. Un problema spesso trascurato è rappresentato dalla potenziale incorporazione di aria nel prodotto finito, la cui presenza porterebbe ad una drastica riduzione del coefficiente di scambio termico e della conseguente dissipazione di calore .

Un altro aspetto fondamentale riguarda la scelta dell'olio base , che  condiziona in maniera significativa la stabilità alle diverse temperature  di esercizio. In particolare alle:

• Alte temperature, tra i 150 e i 200 °C quasi tutti gli oli base carrier subiscono profondi cambiamenti strutturali, la perdita per evaporazione e le successive ossidazioni portano a rapide carbonizzazioni con conseguenti perdite di efficienza, per questo  è consigliata la valutazione di soluzioni ad alta resistenza termo-ossidativa a base fluorurata laddove le temperature potrebbero superare i 200°C per cicli termici prolungati.
• Basse temperature, condizione altrettanto critica di potenziale cristallizzazione dell'olio base, con formazione di crepe, perdita di continuità del film conduttivo e riduzione delle prestazioni di trasferimento termico

L'adesività alle zone d'attrito e la potenziale perdita di materiale per gravità dalle zone deputate al trasferimento di calore rappresentano un'area di possibile minaccia del corretto funzionamento del dispositivo.  Allo scopo è possibile eseguire un test specifico di adesività attraverso un controllo delle proprietà reologiche e visco-dinamiche del prodotto in uso nell'intervallo termico di funzionamento previsto dal contesto applicativo.

Come migliorare la dissipazione del calore nei componenti tecnici

Una dissipazione del calore efficace dipende dalla qualità del percorso di trasferimento termico tra le superfici coinvolte. Quando la catena di conduzione è progettata in modo non ottimale, possono verificarsi riduzione delle prestazioni, perdite di efficienza e, nei casi più critici, un decadimento della funzionalità del dispositivo.

Quali soluzioni si usano per dissipare il calore?

Le soluzioni disponibili sul mercato sono diverse e vanno valutate in funzione delle condizioni termiche e ambientali di esercizio. Tra le più utilizzate rientrano:

• ventole
• fogli di alluminio
• radiatori
• dissipatori
• gomme conduttive

Quando una soluzione rigida può non essere sufficiente?

In alcuni contesti applicativi, una soluzione rigida può non garantire un contatto termico efficace. Questo avviene, ad esempio, quando le superfici non sono perfettamente planari e si formano intercapedini d’aria tra gli elementi conduttivi.

La presenza di aria compromette lo scambio termico, perché l’aria presenta una conducibilità molto inferiore rispetto ai metalli e agli altri materiali progettati per il trasferimento di calore.

Quando la termoconduzione diventa un parametro critico?

Quando la gestione del calore influisce su prestazioni, stabilità e durata del componente.

Quali fattori influenzano la termoconduzione?

Materiale, temperatura, area di contatto, geometria e condizioni operative.

Come si valuta una soluzione di termoconduzione per uso industriale?

Analizzando requisiti termici, vincoli applicativi, continuità del trasferimento e compatibilità con il sistema.

Serve testare la soluzione in applicazione reale?

Sì, soprattutto quando il comportamento termico dipende da condizioni di esercizio specifiche.