Aplicación de materiales de disipación de calor de grafeno en compresores

A medida que el desarrollo de aire acondicionado A medida que los sistemas de bombas de calor avanzan hacia una mayor eficiencia, miniaturización e inteligencia artificial, la gestión térmica dentro del compresor se ha vuelto un problema cada vez más relevante. Las altas velocidades, las estructuras cerradas y la elevada densidad de potencia plantean desafíos en la generación de calor, poniendo en entredicho la fiabilidad y la vida útil del compresor.

Entre los numerosos materiales nuevos, el grafeno, con su conductividad térmica ultra alta y sus excelentes propiedades mecánicas, se está convirtiendo en un nuevo foco de atención en la tecnología de refrigeración de compresores.

I. Punto crítico de la disipación de calor del compresor

Como el corazón de sistemas de aire acondicionadoEl compresor generará mucho calor a partir de sus componentes, como la cámara de compresión, el bobinado, el motor y el módulo de potencia.

En particular, el compresor de los aires acondicionados inverter, cuyo frecuente ajuste de velocidad y alta densidad de corriente hacen transparente su generación de calor.

Si la disipación del calor es deficiente, esto provocará:

• Envejecimiento del aislamiento del motor y disminución de la eficiencia;

• Deterioro del aceite lubricante y exacerbación de la fricción y el desgaste;

• La alta temperatura del cilindro provoca una presión de escape inestable;

El módulo de control electrónico se ha sobrecalentado y dañado.

El método tradicional de disipación de calor se basa principalmente en la conducción térmica del metal y en una estructura de refrigeración por aceite/aire, pero está limitado por la conductividad térmica y el volumen, lo que dificulta equilibrar una disipación de calor eficiente con una estructura compacta.

II. Grafeno: Una conductividad térmica revolucionaria a nanoescala

El grafeno, un material cristalino bidimensional compuesto por una sola capa de átomos de carbono, presenta las siguientes características termofísicas:

Su excelente estabilidad química y flexibilidad permiten combinarlo con una variedad de materiales de sustrato.

Es ultrafino y ligero, lo que permite una transferencia de calor eficiente en espesores a nivel de micras;

· La conductividad térmica alcanza valores tan altos como 5000 W/m·K (en comparación con aproximadamente 400 W/m·K para el cobre);

• Posee conductividad tanto eléctrica como térmica, lo que facilita la gestión térmica en motores y módulos de potencia.

En ese caso, el grafeno se está convirtiendo en un material ideal para interfaces térmicas y potenciadores de la disipación de calor para compresores.

III. Las principales aplicaciones del grafeno en compresores

1. Disipación de calor de los devanados del motor y del estátor

En cuanto a aires acondicionados inverterEl factor clave en el bajo rendimiento de los compresores es el calentamiento del bobinado del motor. La aplicación de un recubrimiento de resina compuesta de grafeno a la capa aislante del bobinado podría mejorar la eficiencia de la conductividad térmica entre el estátor y la carcasa, reduciendo así la temperatura entre 5 y 10 °C. Esto no solo mejora la eficiencia del motor (nivel IE), sino que también prolonga la vida útil del aislamiento.

2. Interfaz térmica del módulo de control electrónico (PCB/IGBT)

En sustitución de la grasa de silicona o los rellenos de óxido de aluminio tradicionales, se suele utilizar una película termoconductora de grafeno entre las placas base y los disipadores de calor, ya que ofrece menor resistencia térmica y mejor estabilidad térmica. Esto reduce significativamente la temperatura de las placas en los sistemas de refrigeración.

3. Recubrimiento para la mejora de la disipación de calor en la carcasa del compresor

Un recubrimiento compuesto de grafeno puede cubrir la superficie de la carcasa del compresor, formando una capa compuesta de alta conductividad térmica y disipación de calor por radiación. Al operar a altas temperaturas ambiente (superiores a 45 °C), el recubrimiento acelera la liberación de calor de la carcasa y evita que la temperatura del aceite sea excesiva.

4. Aditivos lubricantes y optimización de la conductividad térmica

En algunas investigaciones se ha intentado añadir nanopartículas de grafeno al aceite refrigerante con el objetivo de mejorar la conductividad térmica y la resistencia al desgaste.

Las investigaciones demuestran que la película de aceite presenta una conductividad térmica mejorada del 30% y un coeficiente de fricción del 10%.

IV. Desafíos técnicos y avances de ingeniería

Aunque el grafeno tiene amplias perspectivas de aplicación, su aplicación masiva en compresores aún necesita tiempo para superar numerosos desafíos:

• Problemas de dispersión y unión interfacial:

El grafeno tiene la característica de agregarse fácilmente, lo que dificulta su distribución uniforme y requiere la modificación de su superficie o el uso de tecnología de compuestos.

• Coste tanto para el proveedor como para los consumidores:

Los materiales de grafeno son más caros que los tradicionales, lo que dificulta equilibrar el rendimiento y el coste.

• Estabilidad:

Se desconoce si la capa de grafeno se desprenderá o reaccionará en ambientes de alta temperatura, alta presión y en presencia de mezclas de petróleo y gas. Se necesita tiempo para comprobarlo.

En el futuro, los compresores ya no dependerán de grandes bloques metálicos, sino que se optimizarán mediante materiales especiales para lograr una microconductividad térmica. Como material de gestión térmica de nueva generación, el grafeno se combinará con el control por IA y la tecnología de detección inteligente de temperatura para lograr un COP más alto y condiciones de funcionamiento más estables. unidades de aire acondicionado.