Gestione termica:
Fondamenti sulla gestione termica

La gestione termica ruota intorno al movimento e alla rimozione del calore da un sistema, principalmente in dispositivi elettronici. Essa comprende la diffusione del calore, il trasferimento di calore e la dissipazione del calore. Aavid, divisione termica di Boyd Corporation è leader mondiale nell'ottimizzazione di soluzioni termiche e nello sviluppo di tecnologie termiche innovative da oltre 50 anni.

Diffusione del calore

I diffusori di calore offrono elevata conduttività termica conveniente e affidabile, quasi senza bisogno di componenti mobili.


Un diffusore di calore è una soluzione efficace per gestire le fonti di calore con elevata densità di flusso di calore (elevato flusso di calore per unità d'area) e nei casi in cui uno scambiatore di calore secondario non è sufficiente per disperdere il calore (a causa di limiti di spazio, utilizzo energetico, costi, ecc.). I diffusori di calore permettono ai progettisti di utilizzare scambiatori di calore secondari con raffreddamento ad aria invece che a liquido.

La maggior parte dei diffusori di calore sono piastre di rame che fungono da scambiatori di calore. I diffusori di calore trasferiscono il calore tra la fonte e (generalmente) uno scambiatore di calore secondario. Il calore si "diffonde" dalla fonte tramite il diffusore di calore, spostandosi da una zona più piccola a una più grande interconnesse (lo scambiatore di calore secondario). Sebbene il flusso di calore nel diffusore di calore sia uguale a quello nello scambiatore di calore secondario, la densità del flusso di calore viene ridotta, rendendo più semplice disperdere il calore tramite il raffreddamento ad aria. La ridotta densità del flusso di calore permette inoltre di realizzare lo scambiatore di calore secondario con materiali meno costosi.

Aavid propone una vasta gamma di tecnologia per la diffusione del calore, che offrono soluzioni per la conduttività termica sensibilmente migliorate. Tali tecnologie per la diffusione del calore comprendono:

Conduzione solida avanzata (k-Core®/ Tecnologie a grafite)
Piastre di raffreddamento con tubi di calore (heat pipe) incorporati
Insiemi camera di vapore (vapor chamber)

Dissipatori di calore con base di rame = 0,42° C/Watt vs. Dissipatori di calore con camera di vapore = 0,31° C/Watt

Trasferimento del calore

Muovere il calore tramite dissipazione di calore da remoto con dispositivi passivi come tubi di calore o tubi di calore ad anello è una soluzione termica efficiente ad alte prestazioni, poco pesante, a basso costo e altamente affidabile, dal momento che non ci sono componenti mobili che possono rompersi, usurarsi o che devono essere sostituiti o lubrificati.

Tubi di calore


I tubi di calore possono essere usati per spostare il calore su distanze diverse, da pochi millimetri (>50 mm) a distanze superiori a 3 piedi (> 1 metri). In un tubo di calore, il calore proveniente da una fonte di calore entra dall'estremità dell'evaporatore del tubo, portando il fluido di funzionamento a cambiare fase da liquido a gassoso. Il vapore viaggia attraverso il tubo di calore verso l'altra estremità, quella del condensatore, dove il dissipatore di calore primario o secondario rimuove l'energia termica. Il rilascio di calore nell'estremità del condensatore spinge il vapore a ricondensarsi in forma liquida, che viene poi assorbita in una struttura porosa. Le strutture porose incorporate nelle pareti interne di un tubo di calore permettono al liquido di condensarsi nel tubo di calore per poi tornare dalla sezione del condensatore a quella dell'evaporatore tramite l'azione capillare.

L'efficienza che mobilita il calore in questa soluzione termica è determinata da fattori come il fluido di funzionamento, il diametro, la lunghezza, la flessibilità, la piattezza e l'orientamento.

Le quattro strutture porose del tubo di calore prodotte comunemente sono composte da canali nella parete interna del tubo, reti, polvere metallica e fibre/molle. Queste strutture hanno limiti di porosità variabili (il tasso di pompaggio al quale il fluido viaggia dal condensatore all'evaporatore).

Tubi di calore ad anello
Anche un tubo di calore ad anello (LHP) è un trasferitore di calore bifase che utilizza l'azione capillare per rimuovere il calore dalla fonte e spostarlo passivamente verso un condensatore o un radiatore. Gli LHP sono simili ai tubi di calore ma hanno il vantaggio di fornire un funzionamento affidabile su lunghe distanze (fino a 75 metri) e possono funzionare contrastando la gravità (condizioni ad elevata forza g).

In un tubo di calore ad anello, la struttura porosa è presente solo nell'evaporatore e il fluido vaporizzato viene separato dal liquido e viaggia in un anello attraverso il condensatore e di nuovo fino all'evaporatore. Aavid ha sviluppato e prodotto diversi progetti di LHP, da quelli di dimensioni più grandi e più potenti (>2000W) a quelli in miniatura (<100W) che sono stati impiegati con successo in una vasta gamma di applicazioni aerospaziali e a terra.

Fluidi operativi, range di temperature operative, orientamento e formatura

Il tipo di fluido operativo influenza le prestazioni del tubo di calore. Un tubo di calore o un tubo ad anello funziona solo se la temperatura del fluido è sopra il punto di congelamento. Quando la temperatura sale sopra il punto di condensa del fluido operativo, il vapore non si condensa e non torna alla fase liquida e non si verifica la circolazione e il raffreddamento del fluido. La selezione del fluido si basa sull'intervallo di temperatura operativa dell'applicazione. Aavid ha progettato e sviluppato tubi di calore e tubi ad anello per temperature per applicazioni criogeniche che operano al di sotto di -250°C a temperature più alte (>2000°C). L'acqua è il fluido operativo più comune, per le sue ottime proprietà termiche e per temperature operative che vanno da 5°C a 250°C.

Aavid ha progettato, sviluppato e prodotto tubi di calore (heat pipe) utilizzando oltre 27 diversi fluidi di lavoro.

L'orientamento di un tubo di calore relativamente alla gravità e la sua struttura porosa hanno un ruolo importante nelle prestazioni. Ad esempio, il materiale poroso scanalato ha il limite capillare più basso in assoluto, ma funziona al meglio in condizioni di gravità, quando l'evaporatore si trova sotto il condensatore. I tubi di calore (heat pipe) ad anello sono meno sensibili all'orientamento e si affidano a una struttura porosa con capacità di pompaggio altamente capillare nell'evaporatore per aumentare le prestazioni.

I tubi di calore possono essere formati (appiattiti o flessi) per essere integrati in un dispositivo. Appiattire o flettere un tubo di calore ridurrà la quantità massima di calore trasportabile. È necessario tenere presente questo limite in fase di progettazione.

Applicazioni dei tubi di calore

Per spostare il calore in applicazioni industriali, elettroniche, aerospaziali o di altro genere, i tubi di calore e i tubi ad anello vengono solitamente integrati in sottosistemi termici, per trasportare il calore dalla fonte a zone più lontane. I tubi di calore sono molto efficienti per allontanare il calore dalla fonte e da componenti termo-sensibili verso un dissipatore di calore in un'altra zona.

Un raffreddatore elettronico ad alta capacità è un'esempio di soluzione termica in cui non c'è abbastanza spazio per montare un dissipatore di calore ad alette di fianco alla fonte di calore. Piuttosto, i tubi di calore ad alta capacità spostano il calore verso l'array ad alette, che dissipa l'energia termica utilizzando la convezione forzata. In questo modo si possono dissipare centinaia di watt.

Vantaggi dei tubi di calore e dei tubi ad anello

L'integrazione dei tubi di calore e dei tubi ad anello in una soluzione termica comporta molti vantaggi, tra cui:

• Elevata ed efficace conduttività termica (>5000 W/m•K)
• Trasporto di calore a lunga distanza
• Elevata affidabilità
• Assenza di parti mobili
• Convenienza
• Passività - non richiede parti mobili e altre simili difficoltà legate alla manuntenzione

Inolte, i tubi di calore e i tubi ad anello possono essere progettati per svariati fattori ambientali esterni come shock meccanico, vibrazioni, impatti, shock/cicli termici e ambienti corrosivi che possono influire sulla vita del tubo.

Disperdere il calore

Utilizzando soluzioni termiche di Aavid come dissipatori di calore, tubi di calore, camere di vapore, tubi di calore ad anello, k-Core®, piastre fredde a liquido e scambiatori di calore, i progettisti possono scegliere di dissipare il calore superfluo nell'aria (convezione naturale o forzata), in un liquido (acqua, acqua/glicolo, PAO) o irradiarlo nello spazio.

Dissipare il calore nell'aria
In molte applicazioni, il metodo di elezione per la gestione termica è il raffreddamento per convezione in aria, specialmente nelle applicazioni elettroniche. Con il dissipatore di calore di Aavid, i tubi di calore e i diffusori di calore, il calore superfluo viene assorbito dal dispositivo che genera il calore (ad es. un componente elettrico in un sistema elettronico, come computer e data center) e poi spostato o diffuso tramite dissipazione nell'aria in maniera naturale o forzata (con una ventola). Le tecnologie termiche di Aavid come i tubi di calore da remoto e le camere di vapore permettono al progettista di spostare il calore dai componenti ad elevato flusso di calore a un posto con una superficie maggiore (di solito alette piatte o piegate) e flussi di calore inferiori vengono invece dissipati nell'aria.

Dissipare il calore in un liquido
Applicazioni con grandi carichi di calore come radar militari o componenti elettronici potenti richiedono spesso che il calore superfluo venga dissipato in un raffreddante liquido (acqua, acqua/glicolo/PAO) di un sistema secondario per poi procedere alla dissipazione del calore. Le piastre di raffreddamento a tubi di calore e a liquido di Aavid permettono ai progettisti di rimuovere il calore dal dispositivo che lo genera e di spostarlo in un raffreddante messo in circolazione da un sistema secondario.

Dissipare il calore per irraggiamento
Con l'aumento dei componenti elettronici nei satelliti, la sfida di eliminare il calore da una superficie limitata è sempre più ardua. La bassa temperatura di Aavid, i tubi di calore scanalati in senso assiale (ammoniaca/alluminio, etano/alluminio) e i tubi ad anello permettono di respingere il calore tramite pannelli radianti conservati durante il lancio ma spiegati dal satellite una volta in orbita. I nostri tubi di calore scanalati in senso assiale per basse temperature diffondono il calore all'esterno dei componenti elettronici del satellite, verso i pannelli radianti, dissipando il calore superfluo nello spazio. La nostra tecnologia di tubi di calore ad anello può trasportare e respingere carichi di calore da centinaia di W a carichi maggiori di 2 W.

 

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