Il raffreddamento i dispositivi elettronici richiede una soluzione appropriata, ma anche la regolazione di parametri tecnici e in termini di efficienza. I produttori offrono soluzioni “su misura” per esigenze specifiche e requisiti molto severi. In questo articolo, presenteremo alcune soluzioni disponibili sul mercato da TME e saranno indicati i loro punti di forza.
- Perché il raffreddamento è importante
- Metodi di raffreddamento nell’elettronica
- Scelta del metodo di raffreddamento appropriato nell’elettronica
Sistemi elettronici avanzati e le loro sfide
Con lo sviluppo della tecnologia, i computer sono costretti a elaborare un volume sempre maggiore di dati. Si trovano di fronte a compiti complessi e i produttori si sforzano di miniaturizzare le apparecchiature elettroniche, preferibilmente in formato tascabile. I computer che una volta occupavano intere stanze erano progettati solo per eseguire semplici calcoli. I computer di oggi entrano nel palmo della nostra mano e le loro possibilità possono sembrare quasi illimitate. Tuttavia, il fenomeno della generazione di calore da parte del sistema elettronico rimane invariato. Poiché viene utilizzata sempre più potenza di calcolo, la quantità di calore emesso è proporzionalmente maggiore. Non sarà una novità il fatto che il calore in eccesso sia uno dei più grandi nemici dei circuiti elettronici. Provoca un’usura molto più rapida dei componenti elettronici come transistor, resistori o relè. In casi particolari, le alte temperature possono persino portare a danni irreversibili al sistema di controllo. Il costo della riparazione di un dispositivo di questo tipo può spesso superare il suo valore. Confrontando i computer di qualche decennio fa con quelli di oggi, i dispositivi del ventesimo secolo dotati di estesi sistemi di raffreddamento funzionavano in condizioni molto più favorevoli di quelli di oggi.
Al giorno d’oggi, i sistemi elettronici dettano il ritmo della vita dell’uomo, garantiscono la sicurezza e consentono un ulteriore sviluppo della tecnologia. Affinché questi funzionino in modo impeccabile, con la massima efficienza, la priorità è garantire un raffreddamento adeguato e una protezione contro il surriscaldamento. Le esigenze poste ai dispositivi di utilità mobili o ai sistemi industriali avanzati, fanno sì che i produttori lottino per trovare il modo migliore per mantenere una temperatura sicura per i componenti più critici.
Sistemi di raffreddamento su misura
Possiamo suddividere alcuni dei più comuni sistemi di raffreddamento e dissipazione del calore utilizzati nei sistemi elettronici. Differiscono tra loro principalmente per le dimensioni, uno dei criteri principali per la scelta di un sistema di raffreddamento per un’applicazione specifica, ma anche per il mezzo di refrigerazione o l’efficienza di dissipazione del calore. Pertanto al fine di prendere la decisione giusta su quale di essi porti i maggiori benefici, è necessario familiarizzare con le caratteristiche e i vantaggi più importanti di ciascuno di essi.
Quando si sceglie un sistema di raffreddamento, il più delle volte incontreremo i seguenti elementi:
Ventilatori
Il ventilatore è un dispositivo di raffreddamento base che può essere trovato in ogni impianto domestico o industriale. Il primo e più comune uso dei ventilatori nei dispositivi elettronici è la dissipazione del calore. Tali elementi possono essere trovati sia in un computer desktop che in un computer portatile. Di solito veniamo a conoscenza della presenza di un ventilatore quando avviamo un programma o un gioco impegnativo. In questo caso il computer utilizza al massimo le sue prestazioni, che allo stesso tempo generano più energia termica. Quindi il ventilatore in modalità automatica rimuove il calore dall’interno del dispositivo, consentendo un funzionamento ininterrotto e proteggendo i componenti elettronici sensibili.
I ventilatori sono dispositivi dotati di un motore che aziona le pale del rotore. I movimenti convettivi dell’aria forzati dalla girante in rotazione del ventilatore dissipano e soffiano il calore generato nel dispositivo elettronico. L’energia termica viene espulsa attraverso le griglie situate sul case del computer. Il movimento della ventola è attivato da un sensore di temperatura. Quando viene superato un determinato valore, la girante della ventola inizia a ruotare e il dispositivo viene raffreddato. Le masse d’aria convogliate dal ventilatore sono calcolate in metri cubi l’ora.
Un vantaggio significativo dei ventilatori è il fatto che svolgono anche la funzione di “aspirapolvere” all’interno dell’unità computer. Affinché funzionino correttamente, la polvere deve essere regolarmente rimossa dalle lame.
Vale anche la pena notare che i ventilatori attualmente offerti dai principali produttori sono sottoposti a rigorosi test per quanto riguarda il rumore generato. Pertanto, non vi è alcun timore che il loro funzionamento sia gravoso per l’utente che utilizza il computer. Tuttavia, il rumore aumenterà in proporzione alle dimensioni della ventola e alla quantità di aria che il dispositivo dovrà convogliare.
L’uso del raffreddamento attivo è anche associato al rischio di danneggiamento di uno degli elementi del ventilatore. Può trattarsi di un sistema di azionamento o un rotore azionato. Tuttavia, tale rischio non esiste nel caso del raffreddamento passivo, che sarà discusso più avanti nel testo.
Dissipatori di calore
Un altro elemento comunemente usato nei sistemi di raffreddamento è il dissipatore di calore. Realizzato sotto forma di un elemento metallico a costole, viene spesso utilizzato in combinazione con i ventilatori sopra descritti, in modo da aumentare l’efficienza della dissipazione del calore. Il materiale comunemente utilizzato dai produttori per la produzione di dissipatori di calore è l’alluminio.
A questo punto, sorge la domanda: come può un tale dispositivo influire sul trasferimento del calore dai componenti elettronici che si riscaldano? Secondo i principi del trasferimento di calore, maggiore è la radiazione termica che assorbe la superficie, maggiore è la capacità di raffreddamento. Nel dissipatore di calore le alette opportunamente sagomate sono responsabili della massimizzazione della superficie di trasferimento del calore. Non sorprende pertanto che più grande è il dissipatore di calore, più intenso sarà il raffreddamento. Pertanto, la più grande limitazione sono le dimensioni del dispositivo in cui verrà installato questo tipo di componente. Un altro aspetto molto importante è la distanza del dissipatore di calore dall’elemento riscaldato. Minore è questa distanza, più efficiente sarà la dissipazione del calore. Per intensificare al massimo il trasferimento di temperatura, vengono utilizzati nastri termoconduttivi nel punto di contatto tra le due superfici.
In un impianto con una ventola, il dissipatore di calore assorbe le masse d’aria calda forzate attraverso le pale del rotore e quindi dissipa il calore nell’ambiente.
Celle di Peltier
Una soluzione molto interessante per il raffreddamento dei sistemi elettronici sono i moduli di Peltier La struttura di questo dispositivo è composta da piastre ceramiche disposte parallelamente, tra le quali sono disposti alternativamente semiconduttori di tipo n e p. Il contatto diretto tra di essi è assicurato dall’uso di piastre di rame come mezzo di trasporto per gli elettroni. La corrente elettrica che scorre, forza delle variazioni di temperatura nel punto di contratto tra i vari semiconduttori. Si tratta di una struttura priva di guasti, relativamente piccola e compatta, che non richiede l’utilizzo di refrigerante, questi sono i principali vantaggi di questo sistema di raffreddamento. Un aspetto importante è anche la possibilità di ampliare e aumentare l’efficienza della cella Peltier con ulteriori moduli. Pertanto il lato “caldo” del primo modulo viene collegato al lato “freddo” del successivo. La capacità di assorbire calore dipende quindi dalla disponibilità di spazio e dal valore della corrente elettrica.
Le celle potranno essere utilizzate in condizioni ambientali difficili, come in presenza di elevata polverosità. Esempi dell’uso dei moduli Peltier nella vita di tutti i giorni possono essere frigoriferi portatili per auto o sistemi molto più avanzati di dispositivi che richiedono un controllo preciso della temperatura, ad esempio, generatori ad alta potenza.
Raffreddamento a liquido
Una dissipazione efficiente del calore nell’elettronica avanzata ad alta potenza richiede elevate prestazioni in termini di raffreddamento. Vale la pena sapere che la capacità termica dell’aria, ossia la quantità di energia che l’aria è in grado di immagazzinare, è di circa 1 kJ/m3 mentre l’acqua presenta una capacità di circa 4000 kJ/m3. Non è difficile intuire che impianti elettronici esigenti utilizzano sistemi di raffreddamento a liquido. I cosiddetti blocchi d’acqua sono costruiti sul principio del flusso di acqua o altro refrigerante attorno al dissipatore di calore in un alloggiamento ermeticamente chiuso. Il sistema di pompaggio è responsabile del flusso del liquido. I sistemi di raffreddamento a liquido richiedono un’elevata precisione. È noto che il contatto con l’acqua non è gradito dai sistemi alimentati con corrente elettrica. Anche se il sistema è riempito con una sostanza non conduttiva e il contatto con esso da solo non porterà alla distruzione del dispositivo, la perdita del refrigerante interromperà il processo di raffreddamento. Tali soluzioni possono essere trovate, ad esempio, in computer progettati per eseguire calcoli complessi o simulazioni per le esigenze dell’industria della ricerca e dell’ingegneria.
Tubi di calore
Il tubo di calore è un dispositivo semplice il cui compito è quello di trasportare il calore sfruttando la convezione.
Sebbene questa tecnologia fosse già nota negli anni ’40 del secolo scorso, è stata utilizzata nell’industria solo circa 20 anni dopo. Attualmente, i tubi di calore vengono utilizzati in molti campi, che vanno dalla refrigerazione e riscaldamento, fino ai moderni computer, all’industria spaziale.
Il tubo di calore è suddiviso in tre zone:
- zona di evaporazione (evaporatore)
- zona di transizione – trasporto di calore senza scambio con l’ambiente (adiabatico)
- zona di condensazione (condensatore).
Il calore viene assorbito nell’evaporatore, dove l’agente liquido evapora. La pressione nello spazio dell’evaporatore è superiore alla pressione nello spazio del condensatore. La differenza di pressione causata costringe il vapore dell’agente a spostarsi nella sezione di condensazione, dove questo si condensa ed emette calore alla sorgente superiore.
I tubi di calore sono una tecnologia utilizzata nell’industria spaziale, chimica ed energetica.
Il ruolo del raffreddamento nel funzionamento dell’elettronica
Il calore in eccesso nei dispositivi riduce la loro vita utile, limita le possibilità e spesso porta a danni inevitabili ai sistemi elettronici. Una scelta appropriata degli elementi del sistema di raffreddamento consente di evitare tutti questi effetti negativi. Per i progettisti, si tratta di una grande sfida, poiché numerosi fattori devono essere presi in considerazione: i parametri tecnici dell’equipaggiamento e le dimensioni sono importanti. Inoltre saranno necessari calcoli appropriati. Tuttavia, vale la pena ricordare che, nonostante i migliori sistemi di dissipazione del calore, noi in qualità di utenti abbiamo ancora un enorme impatto sulla vita utile dei dispositivi, fornendo loro spazio adeguato per la circolazione dell’aria e utilizzandoli solo per lo scopo previsto.
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Testo redatto dalla Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
https://www.tme.eu/it/news/library-articles/page/53507/modi-per-raffreddare-i-dispositivi-elettronici/
