Gestione termica e soluzioni di raffreddamento integrate

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di Jeff Smoot

In questo articolo…

1. Gestione termica: concetti fondamentali

2. Opzioni di gestione termica per il raffreddamento

3. Calcolo termico: un esempio

4. Considerazioni conclusive

Sebbene i dispositivi elettronici possano resistere a differenti soglie di temperatura, per tutti esistono limiti inferiori e superiori superati i quali non viene più garantito il corretto funzionamento. Sebbene le temperature troppo basse possano essere dannose quanto le temperature troppo elevate, in questo articolo l’attenzione sarà concentrata su queste ultime e sulle modalità da utilizzare per mitigarle. Anche se per rimuovere il calore in eccesso non è sempre necessario prevedere ulteriori passaggi, questo aspetto deve essere preso in considerazione fin dalle fasi iniziali per evitare successive problematiche legate alla gestione termica. Per tale motivo la corretta comprensione dei concetti alla base della gestione termica, ovvero delle modalità secondo le quali il calore viene generato, spostato e rimosso, è essenziale per lo sviluppo di soluzioni per la gestione termica veramente efficaci.

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Gestione termica: concetti fondamentali

I metodi per il trasferimento del calore sono fondamentalmente i seguenti: per conduzione, per convezione e per irraggiamento. Sebbene tutti e tre i metodi vengano utilizzati per il raffreddamento dei dispositivi elettronici, esistono notevoli differenze per quanto riguarda implementazione ed efficacia.

Conduzione

Con il termine conduzione si fa riferimento al trasferimento di energia termica che si verifica mettendo in contatto due oggetti: in questo caso l’oggetto più freddo assorbe energia dall’oggetto più caldo (Fig. 1). Si tratta senza dubbio del metodo più efficiente per il trasferimento di energia poiché richiede la superficie minima per trasferire la maggiore quantità di energia.

Fig. 1 – La conduzione è il trasferimento di energia attraverso un contatto fisico

Convezione

La convezione è il movimento dell’aria finalizzato alla ridistribuzione dell’energia termica. In questo caso l’aria più fredda passa vicino al dispositivo più caldo, assorbe parte del calore del dispositivo portando con sé questa energia, allontanandola quindi dal dispositivo (Fig. 2). La convezione può essere di tipo passivo, che utilizza solamente le correnti di aria naturale oppure forzata: in questo caso è previsto il ricorso a una ventola per accelerare il movimento dell’aria incrementando in tal modo la quantità di energia che può essere spostata. Anche se non efficiente come la conduzione, questo metodo viene utilizzato frequentemente e rappresenta quasi sempre l’ultima fase di un sistema per la gestione termica.

Fig. 2 – La convezione è il movimento del calore che sfrutta la naturale tendenza dell’aria calda a spostarsi verso l’alto

Irraggiamento

L’irraggiamento è l’emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. L’interazione e il movimento di particelle cariche nella materia generano campi elettrici e magnetici accoppiati, convertendo l’energia cinetica del calore in energia elettromagnetica che si propaga dalla sorgente (Fig. 3). Questo tipo di raffreddamento viene utilizzato solitamente nel caso di applicazioni nel vuoto, per le quali non è possibile ricorrere alla conduzione e alla convezione. L’irraggiamento non risulta particolarmente efficace e ignorata nella maggior parte dei calcoli termici.

Fig. 3 – L’irraggiamento è il trasferimento di calore attraverso le onde elettromagnetiche create dalla vibrazione delle particelle calde

Impedenza termica

Un elemento che talvolta viene trascurato assieme ai tre principi termici basilari appena sopra esposti è la resistenza (o impedenza) termica. Essa viene utilizzata per quantificare l’efficacia della trasmissione termica tra differenti oggetti. L’impedenza termica dipende da alcuni fattori – tipo di materiale, forma e dimensioni – e tanto più piccolo è il suo valore, tanto maggiore sarà l’efficienza del trasferimento dell’energia termica. Una volta nota l’impedenza termica e la temperatura ambiente, è possibile calcolare con precisione la quantità di potenza che può essere dissipata prima di raggiungere determinate temperatura. Essa viene ampiamente utilizzata nel corso dello sviluppo delle soluzioni per la gestione termica.

Opzioni di gestione termica per il raffreddamento

Anche se è disponibile un buon numero di differenti prodotti di raffreddamento da utilizzare nelle applicazioni elettroniche, sono essenzialmente tre le tipologie di prodotto che si distinguono per le loro doti di efficienza e di economicità: dissipatori, ventole e moduli di Peltier. Sebbene possano essere usati separatamente, spesso è consigliabile una loro integrazione per ottenere la massima efficacia.

Dissipatori di calore

Disponibili in modelli di ogni forma e dimensione, i dissipatori di calore hanno in comune il vantaggio di ridurre la resistenza termica tra il dispositivo al quale sono attaccati e l’aria. Componenti passivi e silenziosi, essi assolvono la propria funzione aumentando l’area disponibile per la convezione del dispositivo e sono realizzati in materiali che trasferiscono il calore in modo più efficiente rispetto ai tipici materiali semiconduttori. Economici e contraddistinti da un tasso di guasto praticamente nullo, i dissipatori sono di dimensioni abbastanza grandi e il loro utilizzo comporta pertanto un incremento marginale del volume del dispositivo sul quale sono montati. Sebbene molto utili, se impiegati singolarmente risultano meno efficaci rispetto ad altre tecnologie, per cui vengono spesso abbinati a ventole per eliminare in modo più efficace il calore dissipato. Per maggiori informazioni sui dissipatori di calore è possibile leggere l’articolo: “Dissipatori: criteri di scelta”.

Ventole o ventilatori

Le ventole o ventilatori spostano in continuazione l’aria che è in contatto con un dispositivo o un dissipatore di calore per eliminare sacche d’aria più calda che non sarebbero in grado di rimuovere il calore in maniera così efficiente come l’aria fresca più fredda. Come accade per i dissipatori di calore, le ventole sono disponibili in un’ampia gamma di forme, dimensioni o livelli di tensione. Forme e dimensioni sono correlate al flusso d’aria, che viene misurato in CFM (Cubic Feet per Minute). In funzione delle esigenze di progetto, alcune ventole prevedono il controllo della velocità che può essere usato nei sistemi di retroazione per regolare il modo attivo il CFM. Anche se le ventole permettono di ridurre le dimensioni del dissipatore di calore e sono abbastanza economiche, non bisogna dimenticare che si tratta di dispositivi attivi che richiedono potenza, hanno parti in movimento (e quindi più soggette a malfunzionamenti) e possono risultare abbastanza rumorose.

Dispositivi di Peltier

L’ultima categoria di prodotti da prendere in considerazione, i dispositivi di Peltier, sono componenti a semiconduttore che sfruttano appunto l’effetto Peltier per trasferire il calore da un lato di un modulo all’altro. Nelle applicazioni di raffreddamento il lato freddo, collegato al dispositivo, sposta in modo attivo il calore dal questo lato al lato caldo del modulo di Peltier. Per implementare questo movimento attivo di energia è ovviamente richiesta potenza, la quale contribuisce ad aggiungere calore al sistema complessivo, per cui sarebbe auspicabile anche il ricorso a dissipatori di calore e ventole. I moduli di Peltier sono componenti interessanti per la gestione termica in quanto possono essere controllati in modo attivo garantendo una regolazione precisa della temperatura e sono in grado di portare i dispositivi a una temperatura inferiore a quella ambiente in modo autonomo, a differenza delle altre opzioni. Raffreddati sfruttando i principi propri dei semiconduttori, tali dispositivi non prevedono parti in movimento che possono guastarsi e risultano pertanto flessibili e robusti. Non va comunque dimenticato che l’aggiunta di un modulo di Peltier contribuisce a incrementare il costo del sistema di raffreddamento e ad aggiungere calore al sistema complessivo, mentre la potenza richiesta è superiore a quella necessaria per una singola ventola o dissipatore di calore. L’utilizzo di un modulo di Peltier non è ideale in tutte le applicazioni, anche se può risultare estremamente utile nelle applicazioni più impegnative. L’articolo: “Moduli di Peltier: criteri di scelta” fornisce informazioni più dettagliate su questo argomento.

Nel momento in cui si deve avviare un progetto, nel caso si stabilisca la necessità di sviluppare un piano per la gestione termica, è indispensabile valutare vantaggi e svantaggi legati all’utilizzo di queste tipologie di prodotti. Prendendo in considerazione costi, dimensioni, affidabilità e consumi di potenza, un progettista può decidere quali di questi fattori sono più importanti per ciascun progetto specifico.

Calcolo termico: un esempio

Per sottolineare la semplicità dell’implementazione di una soluzione termica integrata, di seguito verrà esposto un ipotetico problema e la relativa soluzione.

Si supponga di avere un dispositivo ospitato in un package di dimensioni pari a 10 x 15 mm che genera un calore di 3,3 W nello stato stazionario. Tale dispositivo è utilizzato in un ambiente la cui temperatura è pari a 50 °C, mentre la sua temperatura di funzionamento ideale è di 40 °C. In ogni caso nessuna parte del sistema deve mai superare i 100 °C.

Fig. 4 – Grafico delle prestazioni di un modulo di Peltier ricavato dal datasheet del mod. CP2088-219

Per risolvere questo problema sarebbe opportuno ricorrere a un dispositivo di Peltier per raffreddare il dispositivo a un valore inferiore a quello della temperatura ambiente. Soluzione ideale per questo dispositivo, il modulo di Peltier miniaturizzato CP2088-219 di CUI Devices è in grado di rimuovere un calore pari a 3,3 W nonchè di ridurre la temperatura di 10 °C al di sotto della temperatura ambiente. Il suddetto modulo di Peltier verrà collegato al dispositivo mediante un materiale di interfacciamento termico (TIM – Thermal Interface Material), SF600G in questo caso, che sarà comunque ignorato in questi calcoli termici. E’ importante sottolineare che il grafico ricavato dal datasheet di CP2088-219 (Fig. 4) evidenzia che il modulo di Peltier richiede 1,2 A a 2,5 V, il che significa che il modulo stesso contribuirà a generare un calore pari a 3 W.

Al fine di rimuovere in maniera più efficace questi 6,3 W dal modulo di Peltier, verrà attaccato il dissipatore di calore HSS-B20-NP-12, utilizzando sempre il medesimo materiale (SF600G). Quest’ultimo, con un’area pari a 8,8 x 8,8 mm, sarà caratterizzato da una resistenza termica di 1,076 C/W (valore arrotondato a 1,08 per comodità di calcolo). D’altro canto il dissipatore di calore, ipotizzando che sia attraversato da un flusso d’aria di 200 LFM (Linear Feet per Minute), è caratterizzato da una resistenza termica pari a 3,47 C/W: la resistenza termica totale sarà dunque uguale a 4,55 C/W. In un contesto di questo tipo, per fornire un flusso d’aria costante pari a 200 LFM, si potrebbe ricorrere una ventola della serie CFM-25B. Al fine di semplificare la conversione da CFM a LFM, CUI Devices mette a disposizione un calcolatore della conversione del flusso d’aria online per uso generale.

In definiva, questa soluzione prevede il collegamento del dispositivo che produce calore attraverso un materiale TIM a un modulo di Peltier, che a sua volta sarà collegato a un dissipatore di calore (sempre utilizzando lo stesso materiale), mentre una ventola provvederà a un raffreddamento con un flusso d’aria di 200 LFM a 50 °C (Fig. 5).

Fig. 5 – Soluzione di gestione termica integrata che prevede il ricorso a un dispositivo di Peltier, un dissipatore di calore, una ventola e un materiale di interfacciamento termico (TIM)

Tenendo presenti tutti questi punti dati è possibile calcolare la temperatura del dispositivo nello stato stazionario. Il modulo di Peltier manterrà il suo lato freddo a una temperatura di 40 °C, a fronte di una generazione di calore aggiuntivo di 3,3 W. Il dissipatore di calore dovrà dunque smaltire un calore pari a 6,3 W in una ambiente in cui la temperatura è pari a 50 °C, con una resistenza termica totale tra il modulo di Peltier e l’aria ambiente pari a 4,55 C/W. La fase finale prevede la moltiplicazione di 6,3 W x 4,55 C/W, che determina l’incremento di temperatura rispetto alla temperatura ambiente. In questo caso il dissipatore raggiungerà un temperatura di 28,67 °C (o 78,67 °C totali), un valore ben al di sotto dei 100 °C. Questa soluzione, in definitiva, è in grado di soddisfare “in toto” le esigenze di gestione termica del sistema.

Considerazioni conclusive

Sebbene i prodotti per la gestione termica non siano sempre necessari, il calore è una presenza quasi inevitabile che dovrà essere gestita in un gran numero di applicazioni. Soluzioni termiche integrate sono presenti in svariate applicazioni consumer, dagli apparati di refrigerazione ai sistemi HVAC, dalla stampa 3D ai deumidificatori. Le soluzioni di gestione termica sono anche utilizzate in un gran numero di applicazioni scientifiche e industriali, come i ciclatori termici per la sintesi del DNA e i laser, per evitare la deriva delle forme d’onda dei laser stessi. La comprensione delle modalità di funzionamento di dissipatori di calore, ventole e moduli di Peltier permette di assicurare un funzionamento più efficiente e per periodi di tempo maggiori di queste e numerose altre applicazioni nel pieno rispetto dei vincoli di natura termica.

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