Dissipare il calore

INCREMENTARE LO SCAMBIO DEL CALORE

Come abbiamo accennato, si può notare come i dissipatori di calore delle CPU dei personal computer sia in massima parte dotati di ventola: questo consente di avere una bassissima resistenza termica tra dissipatore e ambiente in un volume molto contenuto. L' alettatura assai fitta offre una  elevata superficie di scambio con l' aria ambientale che viene soffiata dalla ventola. A pari volume con un dissipatore passivo, uno di questi dissipatori attivi offre una resistenza termica dimezzata o anche minore.

Un' altra tecnologia è stata resa nota proprio dai PC. 

Si tratta di applicare degli heatpipes tra la placca in contatto con il semiconduttore e l' alettatura di scambio con l' ambiente. Gli heatpipes trasportano il calore basandosi non solo sulla conduzione, ma anche sulla convezione del fluido che contengono, aumentando significativamente la capacità di trasferimento termico del dissipatore Nell' immagine, un modello di Coolermaster, dotato di 6 heatpipes del diametro di 6mm ciascuno ed una torre di 48 "fins" di dissipazione.

Gli heatpipe servo, dunque, per una funzione essenziale: trasferire con efficienza il calore dal punto che lo genera all'intera superficie del dissipatore. 

Un dissipatore ha una elevata superficie rispetto al volume quando ha una sagoma ricca di alettature. Però il problema è che il semiconduttore ha, solitamente, una superficie di contatto assai piccola e il calore, trasmesso al dissipatore in un punto centrale, arriva a fatica all' estremità della superficie a causa della resistenza termica del materiale. Si potrebbe migliorare la trasmissione aumentando la sezione del dissipatore, ma così facendo se ne aumenta l' inerzia termica, il peso e il costo.  E' possibile, però, realizzare sistemi composti da molteplici alette molto sottili (fins), che costituiscono una superficie assai estesa in un piccolo volume. Ogni fin è collegato meccanicamente ad uno o più hetapipes e questi creano canali ad alta efficienza per spostare il calore dal semiconduttore alle alette.

Ne derivano dissipatori molto leggeri (i fins sono solitamente in alluminio, ma viene utilizzato anche il rame) con un rapporto superficie/volume del tutto irraggiungibile con altre tecnologie. Se poi si associa una circolazione di aria forzata, si ottengono facilmente bassissimi valori di resistenza termica.

Va considerata anche la possibilità di utilizzare un fluido più efficace dell' aria: si tratta di utilizzare l' acqua come mezzo per spostare il calore dal semiconduttore all' esterno dell' apparecchiatura, dove verrà smaltito in un radiatore, con o senza l' aiuto di un sistema di aria forzata. Il liquido offre vantaggi in fatto di efficacia e silenziosità, avendo come svantaggio la necessità di una periodica manutenzione.

La temperatura minima raggiungibile è quella del liquido in circolazione.

Un ulteriore sistema di raffreddamento è costituito dalle celle di Peltier.

In sostanza, è una pompa di calore che sottrae calorie da un lato e le rende dall' altro. L' energia per operare questo trasferimento è ottenuta da una alimentazione in corrente continua a bassa tensione e con correnti piuttosto elevate. E' impiegata essenzialmente per risolvere problemi termici particolarmente critici o non risolvibili con altri metodi, ad esempio apparecchiature che devono funzionare in ambienti ad alta temperatura, sorgenti di calore puntiformi o delicate, come e emettitori laser, strumentazione, raffreddamento rapido in complessi di misurazione o anche sistemi frigoriferi portatili, e, in generale, per portare la temperatura di un corpo caldo al di sotto di quella ambientale.

Si possono ottenere gradienti di temperatura molto elevati su superfici di dimensioni ridotte. Le celle possono poi essere collegate "in serie" per raggiungere gradienti più elevati.

Con questo metodo è possibile ottenere temperature inferiori a quelle ambiente. Però ci si troverà con una energia maggiore da smaltire sul lato caldo della cella. Siccome questa ha solitamente un piccolo spessore (pochi millimetri), ci si trova con una superficie estremamente calda a breve distanza dai componenti elettronici e con la necessità di asportare questo calore in posizioni non sempre semplici da raggiungere.
La cella di Peltier sposta il calore, ma ovviamente non lo elimina: occorre disporre di un sistema per poi smaltire questo calore. Per cui si associa forzatamente con altri sistemi, come dissipatori alettati con ventola, heatpipes o liquido. Unica in alcune applicazioni, non è di uso generalizzabile per alcune problematiche non secondarie:

1. richiede correnti elevate per funzionare, anche molte decine di ampere. E potenze corrispondenti, a tensioni relativamente basse. E' ovvio che per spostare il calore occorre energia.

2. Il lato più negativo è forse il fatto che il rendimento è molto minore di 1: la cella di Peltier oltre a trasferire calore, ne produce anche di suo. Risulta quindi necessario dissipare una potenza superiore a quella generata dal punto caldo. Quindi la cela raffredda il semiconduttore, poi occorre un sistema per raffreddare la cella e questo sistema deve poter smaltire molta più energia di quella che si avrebbe senza la cella.

3. Richiede circuiti di gestione che possono essere anche complessi in quanto occorre evitare che la temperatura sul lato freddo scenda eccessivamente, arrivando alla condensazione del vapore acqueo contenuto nell' aria; il punto raffreddato deve evitare il pericolo dalla possibile formazione di condensa che crea problemi di natura elettrica ed elettrochimica (corrosione). Sul lato caldo occorre controllare che la temperatura non salga eccessivamente rispetto alle possibilità del dissipatore collegato. Inoltre occorre evitare correnti eccessive nelle celle, che ne potrebbero pregiudicare il funzionamento. Solitamente si tratta di sistemi con doppio controllo della temperatura e PWM di alimentazione.

4. Può essere necessaria una procedura di spegnimento della cella in quanto, in relazione alle masse dei materiali ed al loro calore specifico, l' interruzione improvvisa del raffreddamento può rischiare di scaricare sul dispositivo da raffreddare un calore eccessivo accumulato sul sistema dissipatore della cella, con i rischi dovuto ad un rapido sbalzo di temperatura.

In pratica l' uso di queste celle è limitato a potenze relativamente basse, dove l' introduzione di un circuito frigorifero a compressione di fluido sarebbe poco proponibile o non possibile.
Per quanti riguarda sistemi criogenici che usano fluidi compressi, questi sono riservati ad applicazioni molto particolari, sia per il costo che per la complessità, la rumorosità e il consumo energetico, oltre alla necessità di manutenzione.

Alcune note essenziali

• L'uso di un dissipatore, anche con ventola, diminuisce la resistenza termica tra giunzione e ambiente e quindi facilita il passaggio del calore dall' una all' altro. 
  Però non "raffredda" il dispositivo elettronico al di sotto della temperatura ambiente! 
  Nessun sistema di scambio della temperatura semplice è in grado di fare questo. 
  Per ottenere una temperatura inferiore occorre usare sistemi di pompa termica, come circuiti frigoriferi o celle di Peltier.
   

• L' applicazione di una ventola al dissipatore riduce solo la sua R_tha , ma non varia i parametri del semiconduttore.
   

• Più la temperatura ambiente e quella del dissipatore si avvicinano, minore è l' efficienza dello scambio termico: il semiconduttore sarà sempre ad una temperatura superiore a quella ambiente.
  

• Non ha alcun senso prelevare calore dal semiconduttore con un elaborato sistema di dissipazione per poi scaricare questo calore nell' ambiente chiuso circostante; questo fa accumulare il calore e aumentare la temperatura dell' ambiente, fino a rendere inutile il sistema di dissipazione.
  E' il caso di molti personal computer, dove il proprietario installa paurosi dissipatori sulla CPU, magari passivi, ottenendo un perfetto smaltimento del calore dalla CPU all' ambiente. Ma l' ambiente è lo chassis ben chiuso, che, per abbattere il rumore, dispone di una circolazione d' aria con l'esterno praticamente nulla. Così la temperatura nello chassis sale a 60°C e più, creando problemi sia allo scambio termico dissipatore-ambiente, sia ai componenti sensibili del sistema, come condensatori, motori, dischi rigidi, ecc.
  Se il calore estratto dalla CPU non viene portato nell' ambiente della stanza in cui si trova il computer, applicare enormi radiatori non serve a nulla.
  

• Lo stesso si può dire di raffreddamenti a liquido o con pompe di calore e, in generale, per qualsiasi sistema di raffreddamento: è relativamente semplice estrarre il calore dal semiconduttore, ma il problema reale è quello di passarlo all' ambiente in modo altrettanto efficace.

Tenere a mente che, in ogni caso, qualunque sia il sistema utilizzato per raffreddare un componente, il principio basilare è sempre lo stesso e unico: condurre il calore dal componente a disperdersi nell' ambiente.