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Raffreddamento a liquido

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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:

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:

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:

I difetti principali dei tubi da calore:

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:

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:

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.

I dissipatori di calore: un tutorial


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