Le alette per un raffreddamento efficace


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Aumento della superficie in spazi limitati



Visto che l'elettronica ad alta potenza continua a spingere i limiti della densità relativa alla potenza, i progettisti di componenti si trovano ad affrontare sfide e compromessi maggiori nella scelta delle soluzioni di raffreddamento. Un modo per affrontare queste sfide e i relativi compromessi è la progettazione della geometria delle alette e della loro densità nei dispositivi di trasferimento del calore, come gli scambiatori di calore e le piastre di raffreddamento.

Questo articolo spiegherà come la geometria delle alette e la loro densità influenzano le prestazioni degli scambiatori di calore e delle piastre di raffreddamento. Verranno brevemente esaminate alcune teorie di base sul trasferimento del calore, si confronteranno diversi tipi di geometria delle alette e il loro ruolo nel miglioramento delle prestazioni, e ci si concentrerà su come ridurre al minimo la resistenza termica per massimizzare le prestazioni.




Trasferimento del calore

L'equazione di base che descrive il trasferimento totale del calore in un processo è data da:

Q = U × A x LMTD (1)

Dove:

Q = quantità di calore trasferito, BTU/h (W)
U = coefficiente totale di trasferimento del calore, BTU/h-ft2-ºF (W/m2-ºC)
A = area di trasferimento del calore, ft2 (m2)
LMTD (Log Mean Temperature Difference) = differenza di temperatura media tra i due fluidi in ingresso in uno scambiatore di calore o tra la superficie locale e il fluido che scorre al di sotto nel caso di piastre di raffreddamento, con un carico termico uniformemente distribuito, ºF (ºC)

L'aumento di U, A, o LMTD produrrà un trasferimento di calore maggiore

Per la maggior parte delle applicazioni di scambiatori di calore e piastre di raffreddamento, il coefficiente di trasferimento del calore consiste principalmente in una combinazione di termini di conduzione e di convezione, dove il termine di conduzione tende ad essere molto più piccolo rispetto al termine di convezione. Si tratta di un elemento importante perché i progettisti di componenti hanno di solito poco controllo sui materiali di costruzione, che influisce sulla conduzione e sul refrigerante da utilizzare. Tuttavia, essi tendono a esercitare un notevole controllo sulla geometria delle alette e sulla loro densità, che influisce sulla convezione.




Geometria e densità delle alette

La geometria e la densità delle alette che creano un flusso turbolento e migliorano le prestazioni provocano anche un aumento della caduta di pressione, un requisito importante nella maggior parte delle applicazioni ad alte prestazioni. La combinazione ottimale della geometria delle alette e della loro densità è quindi un compromesso tra prestazioni, caduta di pressione, peso e dimensioni. Un confronto basato su prestazioni, caduta di pressione, peso e dimensioni tra i comuni tipi di alette è descritto in "Air Cooled Compact Heat Exchanger Design for Electronics Cooling".

Oltre alla geometria delle alette, per migliorare le prestazioni è possibile modificare parametri quali spessore, altezza, inclinazione e distanza. Solitamente, lo spessore delle alette varia da 0 pollici (0,1 mm) a 0,01 pollici (0,3 mm), l'altezza varia da 0,04 pollici (0,89 mm) a 0,6 pollici (15,24 mm), e la densità varia da 8 a 30 FPI (alette per pollice).

Nella maggior parte delle applicazioni ad elevata performance, le alette sono realizzate in rame o alluminio. Grazie al loro peso ridotto, le alette in alluminio sono la scelta preferita nelle applicazioni di raffreddamento a liquido dell'elettronica degli aerei. Le alette in rame sono per lo più utilizzate nelle applicazioni in cui il peso non è un fattore importante, ma lo è la compatibilità con altri materiali per circuiti di raffreddamento.

Ci sono molte diverse forme di alette usate nelle applicazioni di trasferimento del calore. Alcune delle alette più comuni sono a lamelle, sfalsate, diritte e ondulate. (Vedere la Figura 1.)




Massimizzare le prestazioni riducendo al minimo la resistenza termica

L'obiettivo di ottimizzare le prestazioni e ridurre al minimo la resistenza termica può essere dimostrato al meglio con un esempio teorico. Si consideri un processo di trasferimento del calore in cui 50/50 glicole etilenico e acqua (EGW) viene raffreddato dall'aria ambiente in uno scambiatore di calore a piastre. La Fig. 2 mostra il percorso del flusso di calore attraverso lo scambiatore usando un'analogia elettrica.



In questo esempio, il calore scorre per convezione tra le temperature TH e T1, poi per conduzione tra le temperature T1 e T2, ed infine per convezione tra T2 e TC. La resistenza termica totale è quindi pari alla somma delle tre resistenze termiche in serie.

Al confronto, una piastra di raffreddamento ha solitamente un solo refrigerante che scorre attraverso di essa. Di conseguenza, il calore fluisce per conduzione dal dispositivo elettronico dissipatore di calore montato sulla piastra di raffreddamento attraverso il materiale dell'interfaccia termica e i materiali della piastra di raffreddamento. Il calore fluisce quindi per convezione dalla superficie interna del materiale del percorso del fluido al liquido di raffreddamento.

Come mostrato nell'esempio precedente, se vogliamo massimizzare il trasferimento di calore dobbiamo ridurre al minimo la resistenza termica. A tale scopo, è necessario aumentare le corrispondenti aree di trasferimento del calore, i coefficienti della pellicola, o entrambi. L'aumento dell'area di trasferimento del calore è relativamente facile da realizzare, anche se talvolta il processo è limitato da requisiti applicativi quali il peso, le dimensioni e la caduta di pressione. Un modo efficace per aumentare l'area di trasferimento del calore è quello di aumentare la densità delle alette (per unità di lunghezza). Tuttavia, aumentare il coefficiente della pellicola è un'operazione più complicata, perché questo dipende dalle proprietà del fluido considerato, dalla sua velocità e dalla geometria dell'aletta.




Una sfida da affrontare al meglio

Quando ci si trova di fronte a requisiti applicativi impegnativi e talvolta conflittuali, tra cui prestazioni, caduta di pressione, peso e dimensioni, è essenziale lavorare con un fornitore esperto che sappia come ottimizzare la geometria delle alette e la loro densità negli scambiatori di calore e nelle piastre di raffreddamento, al fine di ottenere la massima efficienza e soddisfare i requisiti applicativi.


Guarda le nostre Piastre di raffreddamento a liquido a superficie estesa che utilizzano le alette piegate per migliorare le prestazioni.