Le ultime tendenze dell'elettrificazione spingono i prodotti a contenere componenti elettrici più potenti e compatti, il che comporta ulteriori sfide di gestione termica per mantenere o migliorare le prestazioni, l'affidabilità e la durata. I progettisti e i produttori di prodotti devono mantenere temperature ottimali della fonte di calore per garantire che questi dispositivi funzionino in modo efficiente e rimangano affidabili nel tempo. Un modo per ottimizzare le temperature dei dispositivi è attraverso un'efficace gestione termica.
Che cos'è la gestione termica?
La gestione termica è il processo di gestione del calore all'interno di un sistema per garantire un funzionamento efficiente e sicuro. Progettando e implementando tecniche che sfruttano la conduzione, la convezione e l'irraggiamento, la gestione termica aiuta a regolare la temperatura del dispositivo o del sistema rimuovendo o dissipando il calore in eccesso.
La gestione termica è essenziale per molti tipi di dispositivi e sistemi, tra cui dispositivi elettronici, veicoli, centrali elettriche, sistemi di imaging e sistemi di calcolo ad alte prestazioni. Senza un'adeguata gestione termica, questi dispositivi possono surriscaldarsi, con conseguente riduzione delle prestazioni, riduzione della durata e potenziali danni ai componenti.
Tecniche di gestione termica efficaci, come dissipatori di calore, ventole, sistemi di raffreddamento a liquido e materiali di interfaccia termica, consentono a dispositivi e sistemi di funzionare in sicurezza, di funzionare al meglio e di avere una durata maggiore.
Tecniche di gestione termica
La maggior parte dei sistemi utilizza una combinazione di tecniche di gestione termica, quindi queste soluzioni sono classificate in base al metodo di raffreddamento primario utilizzato nel sistema. La categorizzazione si basa generalmente sul fluido di lavoro e sul tipo di convezione nel sistema di raffreddamento.
Raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento bifase
Le soluzioni di gestione termica sono classificate in raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e raffreddamento bifase in base al fluido di lavoro utilizzato. Mentre il raffreddamento ad aria è spesso la soluzione più semplice ed economica, il raffreddamento a liquido e le soluzioni di raffreddamento bifase forniscono un trasferimento di calore più efficiente e sono più adatte per applicazioni ad alte prestazioni.
Tuttavia, il raffreddamento a liquido può avere potenziali complicazioni con la compatibilità e la manutenzione e le soluzioni di raffreddamento a due fasi possono richiedere ulteriori considerazioni di progettazione per la gestione dell'interfaccia vapore-liquido. La migliore soluzione di gestione termica dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione e dai compromessi tra prestazioni, costi e complessità.
Raffreddamento a conduzione
I sistemi che non utilizzano alcun fluido sono considerati soluzioni di raffreddamento a conduzione. Queste soluzioni di gestione termica si basano sulla conduttività termica dei materiali per trasportare efficacemente il calore lontano da una fonte. La maggior parte dei sistemi ad aria, liquidi e bifase ha un certo livello di conduzione del calore all'interno dei suoi componenti, ma si basa maggiormente sul movimento del fluido per spostare il calore. Convezione naturale e convezione forzata
In base al tipo di convezione, una soluzione di gestione termica è classificata in convezione naturale (soluzione passiva) o convezione forzata (soluzione attiva). La convezione naturale si basa sul flusso naturale di aria o liquido attorno a una fonte di calore per dissipare il calore e si verifica a causa delle differenze di temperatura tra la fonte di calore e l'ambiente circostante. Considerando che, la convezione forzata utilizza una ventola o un ventilatore, una pompa o un altro dispositivo meccanico per far circolare aria o liquido attorno alla fonte di calore, migliorando il trasferimento di calore e migliorando l'efficienza di raffreddamento
Il raffreddamento ad aria e il raffreddamento bifase sfruttano sia la configurazione attiva che quella passiva, ma le soluzioni di raffreddamento a liquido sono principalmente soluzioni attive.
Perché la gestione termica è importante?
L'integrazione della gestione termica nel processo di progettazione aiuta a evitare costose riprogettazioni o riparazioni. Settori come quello medico, aerospaziale, della difesa e dell'eMobility hanno severi requisiti normativi per la gestione termica. Il mancato rispetto di questi requisiti comporta conseguenze legali, multe o addirittura la perdita della vita.
Una gestione termica inefficiente porta a un aumento del consumo di energia, che non solo influisce sulle prestazioni e sulla durata del dispositivo, ma ha anche un impatto negativo sull'ambiente. Si tratta di un obiettivo di progettazione importante per settori come i data center e l'elaborazione ad alta potenza. Progettando i dispositivi tenendo conto della gestione termica, il consumo di energia può essere ridotto al minimo, portando a un prodotto più sostenibile.
La temperatura tattile è un fattore importante nell'esperienza utente di un prodotto. Se un dispositivo o un componente è troppo caldo per essere toccato, comporta il rischio di ustioni o altre lesioni per l'utente finale. Ciò può anche portare a una copertura mediatica negativa, potenziali danni al valore del marchio e altre responsabilità legali.
Nel complesso, la gestione termica dovrebbe essere parte integrante del processo di progettazione per garantire un funzionamento affidabile e sicuro, il rispetto dei requisiti normativi, il risparmio sui costi, la sostenibilità ambientale e la reputazione del marchio.
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