GLI HEAT SINK

1.2.1 DEFINIZIONE E CATEGORIE DI HEAT SINK

Gli heat sink o dissipatori sono apparecchiature utilizzate per la trasmissione del calore da una superficie calda ad un ambiente refrigerante, [3]. Solitamente la superficie calda è proprio la faccia del componente che deve essere raffreddato.

Nella maggior parte dei casi, nel sistema di scambio di un heat sink, il punto critico per il passaggio del calore risulta l’interfaccia tra la superficie solida e il fluido refrigerante e, a tutti gli effetti, essa rappresenta la più alta barriera al trasferimento di energia; principalmente, i metodi per sopperire a tale vincolo risultano l’aumento dell’area a diretto contatto con il fluido, oppure l’aumento della velocità del flusso. Questo comporta più calore dissipato ed un abbassamento della temperatura operativa dell’apparecchio, visto che lo scopo primario di un heat sink è giusto quello di mantenere la temperatura del componente sotto il limite prescritto dal produttore.

Una prima classificazione degli heat sink viene fatta analizzando il meccanismo impiegato per la rimozione del calore. Sulla base di ciò si possono individuare cinque grandi categorie.

• HEAT SINK PASSIVI

Sono utilizzati in condizione di convezione naturale o per applicazioni in cui non si prevede l’impiego di fluido refrigerante in moto. Il carico termico per unità di superficie di scambio previsto è di bassa entità.

• HEAT SINK SEMI-ATTIVI

Questi sono supportati da strumenti per il moto del fluido già presenti nel sistema per svolgere principalmente altre attività. I carichi termici per unità di superficie raggiungono valori di medio livello.

• HEAT SINK ATTIVI

Impiegano sistemi di ventilazione appositamente designati per questo uso. In genere, un sistema di heat sink attivo comprende parti meccaniche in movimento e quindi la fattibilità di tali sistemi dipende anche dalla possibilità di realizzazione di tali impianti. In questo caso la potenza dissipata per unità di superficie raggiunge ottimi valori.

• COLD PLATE CON REFRIGERANTE LIQUIDO

Tipicamente impiegano una tubazione interna o appoggiata in canali ricavati sulla superficie di piastre, in modo da usare liquidi in pressione. I valori del carico termico sono molto più alti rispetto ai precedenti, anche di un paio di ordini di grandezza.

• SISTEMI A RICIRCOLAZIONE CON CAMBIO DI FASE

Si tratta di sistemi a due fasi in cui sono presenti un evaporatore ed un condensatore lungo un percorso auto-guidato (o passivo, es. moto per capillarità). Un sistema del tipo heat pipe o tubo di calore può presentare matrici porose nel caso non si possa sfruttare il campo gravitazionale. Nella presente categoria sono previsti anche sistemi con cambio di fase da solido a liquido, utilizzati soprattutto con moderati gradienti di temperatura.

1.2.2 CIRCUITO TERMICO DI UN HEAT SINK

Di seguito si riporta lo studio del circuito termico di un heat sink raffreddato ad aria (Figura 1.13).

Figura 1.13 Heat sink ad aria e circuito termico associato, [3]

Tj, Tc, Ts, e Ta rappresentano rispettivamente la massima temperatura di giunzione del

componente, la massima temperatura del contenitore del componente, la massima temperatura dell’heat sink in prossimità del componente e la temperatura dell’aria.

Come si vede dalla Figura 1.13, la resistenza termica globale dell’heat sink è data dalla somma delle tre resistenze termiche in serie:

(

)

dove q rappresenta la potenza termica dissipata. Misurando le temperature e nota la potenza termica, le resistenze termiche in gioco, molto semplicemente, sono le seguenti:

(

)

(

)

(

)

1.2.3 ESEMPIO DI HEAT SINK

La geometria di tale dissipatore ad aria ([12]) è indicata nella seguente Figura 1.14.

Figura 1.14 Esempio di dissipatore ad aria, [12]

L’heat sink è stato utilizzato per investigare il comportamento in situazione di convezione forzata: esso si compone di 82 canali di sezione rettangolare ed ha dimensioni totali pari a 12.7 x 6.3 x 1.4 cm3.

Le condizioni del dissipatore risultano le seguenti: Re varia tra 1988 e 22067 (portata d’aria tra 0.00246 e 0.0271 kg/s); le termocoppie presenti sulla superficie scaldata hanno registrato temperature tra i 27.3°C e i 75°C, mentre l’ambiente circostante si trova tra 25°C e 28.5°C. Il caso tipico di studio è risultato quello di uno scambio di calore pari a 9684 W/m2 _{con una}

portata di 0.0124 kg/s, cioè Re = 10137.

Vengono fornite un paio di relazioni a riguardo dello scambio termico e della perdita di carico, proporzionale al lavoro di pompaggio che deve essere fatto per far circolare il fluido (aria nel nostro caso) nei condotti del dissipatore:

Nu = 133.72 Re0.115 (= 386)

∆P = 72.33 (portata)1.265 _{(= 0.28 kN/m}2 _{= 280 Pa) (1.44)}

dove le unità di misura per la caduta di pressione e la portata sono rispettivamente kN/m2 e kg/s. Tra parentesi sono stati indicati i risultati del caso tipico.

Nei grafici seguenti si riportano le curve caratteristiche dell’heat sink. È stato eseguito un confronto con il caso di hollow-channel (letteralmente canale vuoto, cioè in assenza di canaletti interni) e si può dire che la presenza dell’alettatura migliora lo scambio termico (valori di Nu maggiori). Nella seconda immagine si nota come i valori sperimentali siano molto vicini a quelli teorici.

Figura 1.15 Curve caratteristiche del dissipatore ad aria dell’esempio, [12]

1.2.4 VINCOLI DI PROGETTO

L’ottimizzazione termica di un heat sink, con riferimento alla Figura 1.13 si indirizza soprattutto a minimizzare Rsa (cioè la resistenza termica tra ambiente e componente), una

volta dati una serie di vincoli di progetto. Questi riguardano principalmente i seguenti parametri:

• Velocità di approccio del fluido. • Caduta di pressione consentita.

• Geometria della sezione trasversale del passaggio del flusso. • Quantità di calore da smaltire.

• Massima temperatura dell’heat sink. • Temperatura del fluido.

• Dimensioni massime dell’heat sink. • Orientamento rispetto alla gravità. • Costi di produzione.

• Costi operativi.

La determinazione delle massime performance ottenibili avviene quindi all’interno di tutta la serie di requisiti sopra elencati.