Riassunto analitico
Gli ultimi decenni hanno visto un rapido incremento in termini di densità di potenza nei dispositivi elettronici. Lo sviluppo tecnologico dei dispositivi a semiconduttore e la continua tendenza a ridurne gli ingombri ha portato a un drastico innalzamento dei problemi termici.
Se da un lato queste apparecchiature hanno permesso di raggiungere traguardi tecnologici notevoli, dall'altro hanno complicato in modo significativo i sistemi da raffreddare.
La temperatura del dispositivo, infatti, non ha solo il potere di alterarne il comportamento, ma anche quello di ridurne notevolmente la vita utile e l’affidabilità; di qui la necessità di sviluppare sistemi di raffreddamento sempre più performanti ed efficaci.
I tradizionali metodi di raffreddamento ad aria, date le crescenti potenze da dissipare e le ridotte disponibilità di spazio, si sono dimostrati limitati e insufficienti.
Si sono quindi diffuse nuove soluzioni basate sull'utilizzo di dissipatori a refrigeranti liquidi.
Il raffreddamento a liquido si è dimostrato infatti una soluzione molto efficace nell'eliminazione del calore sfruttando l’alta capacità termica e l’elevata densità del mezzo di raffreddamento, la possibilità di ridurre gli ingombri e la flessibilità progettuale.
Cooltech ha sviluppato da anni una serie di soluzioni tecniche avanzate per sistemi di gestione termica customizzati, come la produzione di piatti refrigerati (Liquid Cold Plate), macchine termiche e unità di raffreddamento a liquido. L’obiettivo di Cooltech è quello di progettare e fornire, a seconda delle necessità del cliente, la migliore soluzione termica possibile in termini di tecnica ed economicità.
I Cold Plate sono la tecnologia che consente il più alto livello di performance di dissipazione, di personalizzazione e adattabilità alle più svariate esigenze di raffreddamento.
I materiali utilizzati e la capacità di localizzare il raffreddamento permettono di progettare soluzioni sempre più performanti.
Cooltech ha adottato due differenti tecnologie produttive per Cold Plate: la brasatura in vuoto e la Friction Stir Welding (FSW); ognuna caratterizzata da peculiarità costruttive differenti, e capaci, grazie alla loro flessibilità, di adattarsi alle esigenze dei vari progetti.
Lo scopo che si prefigge questa tesi è l’analisi sperimentale di alcune tecnologie di scambio termico impiegate all'interno dei Cold Plate Cooltech.
In particolare si sono individuate alcune geometrie complesse di interfaccia (superfici estese) con il fluido da caratterizzare e confrontare sia a livello di performance idrauliche che termiche.
Questo lavoro si è posto come obiettivo l’elaborazione di un metodo sperimentale efficace per valutare tali geometrie, in grado di affrontare e risolvere i problemi tecnici incontrati sul campo fornendo risultati significativi per un confronto prestazionale delle varie alternative esaminate.
Il lavoro di ricerca si è articolato nelle seguenti fasi:
• Analisi del contesto industriale di interesse nel quale si inserisce la “mission” di Cooltech;
• Valutazione delle basi teoriche e dei principi di funzionamento delle varie tecnologie esaminate;
• Presentazione delle condizioni iniziali nelle quali il progetto ha avuto il via, delineando il piano sperimentale adottato per l’analisi, descrivendo il materiale a disposizione, analizzando le modalità operative di acquisizione dei dati, presentando le prove condotte e gli strumenti utilizzati;
• Rielaborazione dei risultati ottenuti e trasposizione grafica come strumento comparativo delle varie tecnologie analizzate (Offset Strip Fins; Diamond Pin Fins);
• Conclusioni finali con commento dei risultati ottenuti e riflessioni sui possibili sviluppi futuri.
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Abstract
Recent decades have seen a rapid increase in power density for electronic devices. The technological development of semiconductor devices and the continuous tendency to reduce their overall dimensions has led to a drastic increase in thermal problems.
While these devices have made it possible to achieve remarkable technological achievements, they have also significantly complicated the systems to be cooled.
The temperature of the device, in fact, has not only the power to alter its behavior, but also to significantly reduce its useful life and reliability; hence the need to develop more and more performing and effective cooling systems.
Traditional air cooling methods, given the increasing power to dissipate and the reduced availability of space, have proved to be limited and insufficient.
New solutions based on the use of liquid refrigerant heat sinks have therefore become widespread.
In fact, liquid cooling has proved to be a very effective solution in eliminating heat by exploiting the high thermal capacity and high density of the cooling medium, the possibility of reducing the overall dimensions and design flexibility.
Cooltech has been developing for years a series of advanced technical solutions for customized thermal management systems, such as the production of Liquid Cold Plates, thermal machines, and liquid cooling units. Cooltech's goal is to design and supply, according to the customer's needs, the best possible thermal solution in terms of technique and economy.
The Cold Plates allow the highest level of dissipation performance, customization, and adaptability to a wide range of cooling needs.
The materials used and the ability to locate the cooling system make it possible to design increasingly high-performance solutions.
Cooltech has adopted two different production technologies for Cold Plate: vacuum brazing and Friction Stir Welding (FSW); each one characterized by different construction peculiarities, and able, thanks to their flexibility, to adapt to the needs of the various projects.
The aim of this research is the experimental analysis of some heat exchange technologies used within Cold Plate Cooltech.
In particular, some complex geometries of the interface (extended surfaces) with the fluid to characterize and compare both in terms of hydraulic and thermal performance have been identified.
The objective of this work was to develop an effective experimental method to evaluate these geometries, able to address and solve the technical problems encountered in the field, providing significant results for a performance comparison of the various alternatives examined.
The research work was divided into the following phases:
- Analysis of the industrial context of interest in which the Cooltech "mission" is inserted;
- Evaluation of the theoretical bases and operating principles of the various technologies examined;
- Presentation of the initial conditions under which the project started, outlining the experimental plan adopted for the analysis, describing the material available, analyzing the operational methods of data acquisition, presenting the tests conducted and the tools used;
- Re-elaboration of the results obtained and graphic transposition as a comparative tool of the various technologies analyzed (Offset Strip Fins; Diamond Pin Fins);
- Final conclusions with comments on the results obtained and reflections on possible future developments.
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