[Tecnica]Efficienza Alette.

keroro.90

Vi volevo proporre questa specie di piccolo studio fatto per motivi universitari sull'efficienza delle alette e delle superfici alettate, applicabile molto bene quindi ai nostri dissipatori ad aria.

Partiamo dall'inizio, qui tratterrò solo dissipatori aftermarket di un certo livello, caraterizzati quindi dalla presenza fondamentale di Heatpipes, si può comunque con qualche approssimazione e opportuno calcolo ricondurre il tutto a dissipatori senza heatpipe come l'intel Stock.

I principali metodi che possiamo usare per migliorare il passaggio di calore spontaneo da una superficie calda (cpu o gpu) a un fluido (aria/acqua) in generale sono:

-CONDUZIONE

-CONVENZIONE

-IRRAGIAMENTO

Qui tratteremo solo conduzione e convezione, l'irragiamento riguarda l'emissione di onde e.m che vengono poi assorbite o riflesse da altri corpi, è un fenomeno che funziona bene alle alte temp (oltre 3000/4000°C) quindi come nel sole e corpi molto caldi ed è legato alla legge di Stefan-Boltzmann che dipende dalla quarta potenza della temperatura T.

Nei nostri range di temperatura tipico (0-100°C) questo fenomeno è di poco conto.

é comunque da preferire una superficie del dissipatore lucente /riflettente in modo da riflettere le onde e.m. e non assorbirle,ad esempio tra un dissipatore nero opaco (massimo assorbimento) e uno cromato o lucidato è sicuramente da preferire il secondo.

La conduzione riguarda invece solidi e/o liquidi a contatto tra loro ma senza moto relativo.

La convezione invece si basa su un fluido che lambisce un altro solido o liquido, c'è quindi un moto relativo tra le parti in contatto.

Parliamo quindi nel caso dei dissipatori solo di convezione e conduzione.

Facciamo anche delle ipotesi per uno studio più agevole del tutto come sorgente a T costante (cpu/gpu) e flusso d'aria che lambisce il dissipatore a temperatura Tfe con velocità e densità abbastanza omogenea e costante.

Base dissipatore/base cpu.

Il primo scambio di calore lo abbiamo per conduzione tra la base del dissipatore e la base della cpu.

Qui lo scambio è condizionato dalla differenza di temperatura tra base dissipatore e cpu e dalla conducibilità termica della base, preferibilmente rame o metalli di vario genere e inoltre dalla qualità della superficie di contatto.

Se ad esempio si creano delle piccole bolle di aria nell intermezo dissi/base cpu ecco che vi trovate un fluido con conducibilità termica da 1000 a 10000 volte minore di quella del metallo della base, andando a isolare anzichè dissipare la cpu, ecco che nasce l'esigenza della pasta termica per creare una superficie di contatto ideale senza bolle e altri potenziali materiali isolanti che diminuiscono il flusso termico.

Il nostro obiettivo è minimizzare la resistenza al passaggio del flusso termico, dobbiamo cercare di avere quindi materiali con buona conducibilità termica nel contatto con la cpu.

Qui sopra un esempio di base di un dissipatore, si nota la ottima planarità e la finitura buona (non ottima in questo caso, qualche solco di lavorazione è rimasto) della base metallica e le heatpipes inserite all'interno.

Base dissipatore/Heatpipe

All'interno della base troviamo le heatpipes che come saprete contengono un liquido (o miscela di liquidi) in grado di bollire nel range di uso del dissipatore (20-80°C) asportando quindi ulteriore calore, visto che per far passare da liquido a gas il fluido interno dovrete fornire del calore , ma il fluido resterà a temp. costante durante il processo, consentendovi a parità di salto termico di assorbire piu calore.

Una volta che il gas piu leggero salira lungo le heat pipe si ritasformera di nuvo in liquido e ritornare alla base per assorbire di nuovo calore, un po come succede nei pannelli solari di ultima generazione (quelli a tubi per intenderci).

Qui sopra trovate il grafico di una fusione, analogamente all'ebolizione il fluido/solido continua ad assorbire calore ma rimane a temp.costante, ovviamente l'enrgia (sotto forma di calore) serve a rompere o ricreare (in base alla direzione del processo) i legami intermolecolari o eventuali reticoli cristallini.

Heatpipe/alette.

Veniamo ora alla parte interessante, ci troviamo queste belle heatpipe (ipotizziamole tutte a una temperatura costante, media pesata tra temperatura alla base e la temperatura alla fine delle heatpipe)...

Il nostro obiettivo è quindi dissipare il calore immagazinato nella miscela di liquido/gas imprigionata all'interno delle heatpipe.

Lo scambio termico si svolgerà nel seguente modo:

1)Convenzione tra la miscela fluido/gas delle heatpipe e il tubo della heatpipe stessa.

2)Conduzione nella direzione radiale del tubo e infine

3)Convezione tra esterno del tubo e aria in movimento all'esterno.

Dei 3 scambi sopra citati il piu sfavoritò è proprio l'ultimo, questò principalmente perchè la convezione dipende da un coefficente K funzione della geometria, dell'area di scambio, dalla velocità del fluido e della densità del fluido che lambisce, quindi la bassa densità e bassa velocità dell'aria vi porta ad avere un lato molto svantaggiato, ovvero il lato tubo/aria, mentre gli altri due scambi non risentono di questo problema avendo il rame una buona conducibilità termica e il mix di fluido e gas nelle heat-pipeuna buona densità.

Per migliorare lo scambio si introducono quindi le alette nel lato piu svantaggiato (Heatpipe-aria) al fine di aumentare la supeficie di scambio, potreste anche aumentare la velocità del fluido, ma per ovvi motivi di movimentazione del fluido e di rumore e turbolenze generate non è molto saggia come idea.

La nostra scelta e quella dei costruttori di dissipatori è quindi aumentare la superficie di scambio con delle alette.

Intuitivamente potete pensare che duplicando l'area di scambio, duplicate anche lo scambio termico, purtoppo così non è, visto che l'aletta non è a temperatura costante ma varia con la distanza dalle heatpipe e di conseguenza lo scambio non è doppio.

Dopo le tabelle andiamo a cercare di ricavare l'andamento di temperatura nell'aletta e lo scambio termico totale.

Vi riporto di seguito qualche valore di conducibilità termica di materiali che a noi interessano, valore in [W/m°C]

Vi do anche qualche valore di K, sono comunque da prendere abbastanza con le pinze, è il dato di progetto più difficile da stimare e su cui si basano però la maggior parte dei calcoli, come detto dipende da un sacco di fattori, come densità fluido, velocità fluido, geometria superficie lambita, anche dalla temperatura stessa.

Solitamente viene scelto un valore costante spesso definito attraverso appositi software che valutano appunto i parametri sopra citati.

keroro.90