Raffreddamento a liquido, tubi di calore, celle di peltier

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In caso di necessità può essere sempre utile la seguente, ovvia, osservazione: un liquido trasmette meglio il calore che l'aria! Infatti l'acqua, in assoluto il liquido più usato:

possiede una capacità termica molto più elevata dell'aria, circa 4 volte a parità di massa (senza dimenticare che un Kg di aria occupa molto più spazio di un Kg di acqua...)
possiede una resistenza termica per unità di superficie molto più bassa, circa 20 volte meno

In condizioni reali utilizzando un liquido stagnante la trasmissione del calore tra dissipatore ed ambiente migliora mediamente di un ordine di grandezza, cioè la resistenza termica diventa dieci volte più piccola; se il liquido è in movimento anche di 50 volte. Questo rende per esempio possibile asportare molto calore da una zona di piccole dimensioni oppure utilizzare dissipatori di piccole dimensioni. Occorre però ricordare che queste considerazioni devono essere aggiunte a quelle fatte per i dissipatori a proposito delle resistenze termiche interne ai dispositivi.

I problemi a cui occorre prestare particolare attenzione:

E' necessario realizzare un adeguato sistema idraulico in cui è essenziale per ovvie ragioni l'assoluta assenza di perdite di liquido
Occorre prevedere la presenza di una pompa idraulica che, come tutti gli apparecchi meccanici, può facilmente guastarsi
E necessario prevedere uno scambiatore di calore verso l'esterno; infatti l'acqua non fa altro che spostare il calore che deve poi essere rilasciato all'ambiente.

L'immagine seguente mostra un dispositivo commerciale per il raffreddamento a liquido per processori: da sinistra si osserva il radiatore dotato di ventola, il blocco in rame a cui viene collegato direttamente il dispositivo da raffreddare, la pompa elettrica per muovere l'acqua. Si notino le dimensioni relative.

Un dispositivo commerciale per il raffreddamento ad acqua di processori "high end"

Tubi di calore

Quando l'acqua passa allo stato di vapore assorbe una grande quantità di calore con un aumento della propria temperatura prossimo a zero gradi. Analogamente il passaggio da vapore a liquido genera molto calore. I tubi di calore (heat pipe) sfruttano questo meccanismo per spostare molto calore attraverso un salto di temperatura minimo, realizzando quindi un percorso a resistenza termica vicina a zero capace di spostare calore anche a distanze relativamente elevate (molte decine di centimetri o anche metri).

Costruttivamente i tubi di calore sono realizzati da un tubo in rame ermeticamente chiuso ad entrambi gli estremi. Le pareti interne sono rivestite da una struttura paragonabile ad uno stoppino che, per capillarità, permette di spostare acqua liquida da un estremo all'altro, anche contro la gravità; il nucleo del tubo è invece cavo. Prima della chiusura è fatto il vuoto ed inserita una quantità minima di acqua distillata, quanto basta per saturare la struttura spugnosa interna. Dopo la chiusura, la pressione interna si stabilizza a quella di vapore del liquido alla temperatura ambiente, minore quindi di quella atmosferica.

Se ad un estremo del tubo viene fornito calore, una certa quantità di acqua evapora e l'aumento di pressione sposta il vapore (e con esso il calore che ha assorbito) verso l'altro estremo del tubo: qui deve essere presente un sistema di dissipazione che fa condensare il vapore che quindi cede il suo calore latente di evaporazione verso l'esterno. L'acqua che si forma per condensa ritorna all'estremo caldo per gravità e/o capillarità, sfruttando lo stoppino che riveste le pareti interne del tubo. Si ha così il trasporto di una quantità di calore anche due ordini di grandezza maggiore di quello ottenibile con qualunque metallo, in assenza di parti meccaniche in movimento: sono quindi ideali per spostare notevoli potenze verso zone in cui è più facile lo smaltimento.

Costruttivamente gli heat pipe si presentano in due modi:

Therma-sink: veri e propri tubi, con un lato caratterizzato da alette di raffreddamento simili a quelle dei dissipatori e l'altro da una flangia a cui avvitare il semiconduttore da raffreddare.
Embedded: un blocco massiccio di alluminio in cui sono annegati i tubi, con lo scopo di distribuire il calore su una superficie isotermica molto ampia.

I difetti principali dei tubi da calore:

La conducibilità termica è ottima solo se temperatura e potenza trasferita sono comprese nei limiti minimo e massimo di progetto superati i quali si ha un brusco crollo di prestazioni. Di ciò occorre tener conto in modo assoluto nelle fasi di progetto
Pur essendo possibile realizzare forme anche estremamente complesse, la difficoltà nella lavorazione meccanica si traduce spesso nel dover costruire tubi su misura (questo è un limite enorme per l'hobbista o il piccolo assemblatore). Occorre anche considerare qualche difficoltà di montaggio, in particolare il fatto che la quantità di calore gestibile in pratica dipende dall'inclinazione del tubo.

Le sezioni commercialmente disponibili vanno da frazioni di mm a oltre 100 mm; possono essere gestite densità di potenza fino a 200 watt per centimetro quadrato.

L'uscita dai mercati di nicchia dei tubi di calore ha coinciso con l'uso sempre più massiccio che ne viene fatto nella produzione consumer, in particolare nei computer portatili o comunque di piccole dimensioni. Oltre 100 milioni, si stima, sono stati gli heat pipe prodotti nel mondo già nell'anno 2000.

L'immagine seguente mostra un tipico dissipatore basato su heat pipe usato nei computer portatili per il raffreddamento del processore:

alla sinistra è presente il blocco metallico massiccio che va messo a diretto contatto con il microprocessore (il processore è sotto il dissipatore, quindi non è visibile)
da esso partono due "tubi" indipendenti di forma e lunghezza diversa. Si noti che sono esattamente come appaiono nella fotografia, cioè sono troncati e semplicemente chiusi agli estremi.
Nelle parti estreme, in alto e a destra, si intravedono due dissipatori le cui alette sono poste perpendicolarmente al piano della fotografia e quindi non visibili
Si nota la ventola centrifuga utilizzata per raffreddare i due dissipatori

Tubi di calore - Heat pipe

La cella di peltier

La cella di peltier è un dispositivo statico che permette di trasferire il calore da un oggetto freddo ad uno più caldo, migliorando notevolmente la situazione nel caso di problemi termici particolarmente critici e non altrimenti non risolvibili.

La situazione tipica è costituita da apparecchiature che devono funzionare in ambienti particolarmente ostili in cui per esempio la temperatura ambiente è superiore ai 70-80 °C.

In sostanza funziona come un frigorifero sfruttando fenomeni fisici di tipo elettrico, quindi senza parti in movimento.

Occorre tenere comunque presente che un elemento peltier può solo "spostare" il calore, in genere di pochi mm: è quindi necessario disporre comunque di dissipatori o altri metodi di raffreddamento convenzionali.

L'idea è sostanzialmente quella di prelevare calore da un corpo per esempio a 60°C, alzarne la temperatura a 100°C e sfruttare in modo migliore la resistenza termica di un dissipatore (o magari cedere calore all'aria che si trova a 70°C).

Tra i difetti:

richiede correnti e potenze elevate per funzionare, anche decine di ampere e di watt: quindi una cella di peltier oltre che trasferire calore ne produce anche di suo. E' situazione normale che per assorbire un watt da un dispositivo occorre cederne un paio all'ambiente
richiede circuiti anche complessi di gestione per evitare raffreddamenti eccessivi: infatti non sempre è positiva una temperatura molto bassa. Inoltre un pericolo è costituito dalla possibile formazione di condensa che, essendo acqua, potrebbe creare problemi di natura elettrica.
togliendo l'alimentazione alla cella di peltier si rischia di scaricare sul dispositivo da raffreddare un calore eccessivo accumulato sul dissipatore, con qualche rischio dovuto a rapidi sbalzi di temperatura.
possono essere gestite solo potenze relativamente basse, soprattutto quando la differenza di temperatura comincia a salire. In pratica sono abbastanza normali potenze inferiori a poche decine di watt per salti di temperatura di poche decine di gradi.

In casi piuttosto complessi vengono realizzati veri e propri sistemi di condizionamento o refrigerazione con compressori meccanici, ingombranti e costosi ma con una resa energetica migliore delle celle di peltier.

Raffreddamento a liquido

Tubi di calore

La cella di peltier

I dissipatori di calore: un tutorial