IT201800009390A1

IT201800009390A1 - Sistema di raffreddamento bifase a convezione forzata

Info

Publication number: IT201800009390A1
Application number: IT102018000009390A
Authority: IT
Inventors: Francesco Romanello; Luca Saraceno; Antonio Scotini; Giuseppe Zummo
Original assignee: Francesco Romanello; Luca Saraceno; Antonio Scotini; Giuseppe Zummo
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-12
Also published as: WO2020075148A1; ES2966916T3; EP3864351A1; EP3864351C0; US20210341185A1; EP3864351B1; TW202028674A

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO BIFASE A CONVEZIONE FORZATA;

La presente invenzione riguarda un dissipatore di calore per un apparato di raffreddamento atto a trasferire il calore da un componente che genera energia termica (principalmente per dispositivi elettronici come la CPU, GPU e comunque per dispositivi più grandi in varie possibili configurazioni possibili) ad un fluido termovettore (refrigerante), nonché un metodo di funzionamento dell’intero sistema di raffreddamento.

La fonte di calore potrebbe essere un dispositivo che genera grandi densità di potenza termica, e quindi non limitato a un microchip (CPU, GPU, LED ecc.), un circuito integrato o una batteria o un qualunque componente che produce alte densità di potenza termica fino a 1000 W/cm<2 >e oltre.

Di conseguenza la presente invenzione è adatta per un'ampia varietà di applicazioni, che vanno dai dispositivi elettronici di raffreddamento, ai dispositivi elettrici, ai dispositivi meccanici di raffreddamento, alle reazioni chimiche di raffreddamento e/o ai relativi dispositivi e processi.

Una migliore comprensione dell’invenzione si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimenti alle figure che illustrano, a puro titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma di realizzazione del trovato, ed alcune sue varianti.

Nei disegni:

la figura 1 mostra un sistema di raffreddamento a flusso bifase di tipo noto;

la figura 2 è una vista in pianta della piastra di base di un evaporatore secondo la presente invenzione;

la figura 3 è una vista in pianta di uno scambiatore-evaporatore secondo la presente invenzione, unitamente ad due sezioni secondo rispettivi piani di traccia A-A e B-B;

la figura 4 è uno schema dei parametri geometrici della superficie alettata dell'evaporatore;

la figura 5 mostra una prima variante dell'evaporatore, che prevede una piastrina allungata con canali paralleli al lato più lungo; la figura 6 è una sezione secondo un piano di traccia A-A della piastrina allungata mostrata in fig. 5;

la figura 7 mostra una seconda variante dell'evaporatore, che prevede una piastrina allungata con canali paralleli al lato più corto; la figura 8 è una sezione secondo un piano di traccia A-A della piastrina allungata riportata in fig. 7.

Nel seguito, per semplicità di esposizione si farà riferimento ad un esempio realizzativo con un fluido bifase, cioè con fase liquida e fase di vapore, ma il concetto inventivo alla base del trovato è applicabile senza modifiche anche a fluidi multifase, in cui - oltre alla fase liquida ed alla fase gassosa del fluido evaporato – possono essere presenti gas incondensabili e/o dei solidi come ad esempio delle nanoparticelle.

Il sistema di raffreddamento bifase a convezione forzata secondo la presente invenzione sfrutta i fenomeni fisici della convezione, della conduzione, dell’evaporazione e della radiazione ed è costituito sostanzialmente da un apparato a circuito idraulico chiuso di un fluido refrigerante termovettore comprendente:

- dei mezzi di pompaggio di un fluido refrigerante che, in alcuni tratti del circuito, è bifase;

- un dissipatore-evaporatore in grado di trasferire il calore per conduzione dal componente da raffreddare al fluido refrigerante;

- un condensatore-radiatore, in grado di condensare il vapore che si sviluppa sull’evaporatore e contemporaneamente dissipare nell’ambiente, o in un pozzo freddo, o in un altro fluido, il calore ceduto dal fluido refrigerante sia tramite conduzione, convezione e radiazione che tramite condensazione;

- uno scambiatore di calore (recuperatore) opzionale, che trasferisce del calore dal fluido in uscita dall’evaporatore al fluido in entrata all’evaporatore stesso;

- un serbatoio che funge da vaso di espansione, oppure un serbatoio ed un vaso di espansione collegati tra loro;

- dei sensori ed un sistema di controllo elettronico della pompa, del flusso d’aria al condensatore e della pressione.

Secondo una caratteristica peculiare del trovato, il circuito idraulico è un anello chiuso in cui il fluido refrigerante, che è presente in doppio stato (o fase) liquido-vapore, viene fatto circolare da una pompa. Secondo l’invenzione, inizialmente questo fluido refrigerante parte dalla pompa totalmente in fase liquida, quando giunge sull’elemento da raffreddare, passa parzialmente dallo stato liquido a quello di vapore con una percentuale ottimale definibile dai parametri del sistema e controllabile da un sistema elettronico che regola la portata della pompa, la velocità delle ventole che raffreddano il condensatore e la pressione del sistema, in modo tale da mantenere al livello desiderato l’evaporazione e la temperatura dell’elemento da controllare.

Si verificano quindi fenomeni di evaporazione sul dissipatore di calore che, per questo motivo, è anche indicato come evaporatore, in cui il calore viene trasferito dalla fonte di calore al fluido mediante una serie di fenomeni fisici: convezione, conduzione del calore, evaporazione, radiazione.

Secondo un’ulteriore caratteristica peculiare del trovato, se si controlla il titolo del vapore, si massimizza la dissipazione del calore in quanto si estrae anche il calore latente di evaporazione ottenendo risultati che l’attuale tecnica non consente. Per fare ciò, però, è importante non solo gestire il controllo dell’evaporazione e della successiva condensazione attraverso dei sensori disposti in posizione opportuna nel circuito che inviano i loro segnali ad una scheda elettronica di controllo che comanda: la portata della pompa, la velocità delle ventole del condensatore, nonché il sistema di regolazione della pressione, ma è importante prevedere anche un evaporatore in grado di sottrarre il massimo calore possibile dal componente che si vuole raffreddare.

A tale scopo è necessario non solo gestire l’interfaccia evaporatore/componente da raffreddare, ma anche utilizzare i materiali migliori per la realizzazione dell’evaporatore e la sua geometria dalla parte del fluido.

Un tipico sistema di raffreddamento a flusso a due fasi è mostrato in Figura 1, dove è previsto un impianto a circuito chiuso con una pompa per far circolare un fluido di lavoro. A valle della pompa, il fluido scorre verso un evaporatore, che è lo scambiatore di calore in cui il liquido evapora assorbendo il calore del componente da raffreddare (dispositivo elettronico: CPU, GPU, IGBT, inverter ecc.).

Secondo il presente trovato, la miscela bifase o multifase di vapore in uscita dall’evaporatore potrebbe attraversare uno scambiatore di calore (liquido-liquido, indicato con recuperatore nello schema di Figura 1) e cedere parte o tutto il calore accumulato al fluido in ingresso all’evaporatore, realizzando una sorta di preriscaldamento. Tale recuperatore potrebbe essere presente in alcune applicazioni. All’uscita del recuperatore, il fluido bifase o multifase fluisce quindi verso un condensatore in cui il vapore condensa nuovamente in fase liquida e il calore viene trasferito dal fluido all'ambiente o al dissipatore di calore. Il circuito contiene, come detto, un serbatoio-accumulatore che assicura l’espansione per consentire variazioni di densità del fluido e quindi variazioni di volume dovute all'evaporazione e alla condensazione. Questo serbatoio controlla la pressione del sistema e quindi la temperatura di saturazione del fluido. Questa temperatura è impostabile per mantenere i componenti elettronici alle loro temperature operative. In un computer, ad esempio, CPU e GPU dovrebbero funzionare in un intervallo di temperatura da 25°C a 60°C e non devono superare 85-100°C.

Vantaggiosamente un innovativo sistema di controllo termico come quello che si descrive è in grado di rimuovere densità di calore elevate con bassa portata di massa del refrigerante e di mantenere isoterma la superficie del componente elettronico. Il sistema secondo il presente trovato, oltre a fornire i suddetti benefici, è caratterizzato volumi e masse inferiori rispetto a quelle delle tecnologie di raffreddamento note: di conseguenza, necessita di minore quantità di energia per il suo funzionamento. A questi vantaggi, si aggiunge una ridotta rumorosità del sistema.

Rispetto alle soluzioni note nella tecnica, schematicamente rappresentate in figura 1, la presente invenzione contiene elementi originali e innovativi rappresentati dall’evaporatore, nonchè dal sistema di controllo e di regolazione della portata, della pressione e del flusso d’aria sul condensatore.

Nel seguito, con riferimento alle figure da 2 a 7, che mostrano a puro titolo esemplificativo una preferita forma di realizzazione non vincolante (e alcune sue varianti), verrà meglio descritta la presente invenzione, con particolare riferimento all’innovativa modalità di trasferimento di calore relativa al dissipatore di calore che si descrive.

Il dissipatore di calore-evaporatore comprende un involucro costituito da:

- una base (Figg. 2 e 3) e da

- un coperchio

che insieme definiscono dei passaggi obbligati per il fluido refrigerante.

La base è una piastra di materiale conduttore termico, con una superficie inferiore a contatto con il dispositivo da raffreddare ed una superficie superiore su cui sono presenti una pluralità di alette preferibilmente (ma non esclusivamente) parallele tra loro che definiscono una corrispondente molteplicità di canali. Secondo il trovato, ciascuno di detti canali è delimitato da due alette adiacenti e dalla superficie della base stessa presente tra di esse. Il lato superiore di ciascun canale può essere chiuso dalla superficie inferiore del coperchio oppure può essere aperto, in tal caso il coperchio è posto ad una certa distanza dall'estremità libera della parte superiore delle alette. Nell’esempio illustrato, il coperchio è una piastra che può contenere dei collettori (principalmente, l'ingresso e l'uscita) ed eventualmente altri canali.

Tra la base ed il coperchio vi è un sistema di guarnizioni per garantire la tenuta idraulica del sistema.

E’ anche possibile prevedere che tra il coperchio e la base sia presente un elemento distanziatore che può contenere o meno il sistema di guarnizioni per garantire la tenuta idraulica del dissipatore di calore, rispettivamente con la base e con il coperchio.

Un’altra caratteristica peculiare dell’invenzione, prevede che i canali (detti anche micro-canali) presenti sulla superficie superiore dello scambiatore possono avere tutti la stessa lunghezza o lunghezze non uniformi tra loro.

Inoltre, anche l'altezza delle alette che definiscono i canali può essere sia uniforme, che non uniforme. In caso di altezza non uniforme, le alette possono avere altezze decrescenti in modo lineare, quadratico, cubico ecc. da un lato (ingresso o uscita) fino al lato opposto. Oppure ancora, possono avere altezze decrescenti dal centro verso le estremità o viceversa.

Per di più, le alette possono avere una superficie discontinua, caratterizzata cioè da aperture o fori che collegano un canale con almeno un canale adiacente. Anche l’estremità libera, o bordo, superiore delle alette può essere discontinua.

Infine, il corpo delle alette può essere ortogonale alla superficie della base o avere una certa inclinazione rispetto ad essa.

La Figura 4 mostra i parametri geometrici “a”, “b” e “c” delle alette che definiscono i canali (che nel seguito verranno chiamati anche “micro-canali”).

Nella preferita forma di realizzazione che si descrive a titolo non limitativo i valori di questi tre parametri sono:

a: spessore di un’aletta: 0,1 mm - 1,0 mm b: distanza tra due alette: 0,1 mm - 2,0 mm c: altezza di un’aletta: 0,1 mm - 5,0 mm Un’altra caratteristica peculiare dell’invenzione è relativa al fatto che il flusso del fluido refrigerante può essere parallelo o trasversale rispetto l’asse dei canali, oppure obliquo ad essi se i canali sono disposti con un angolo variabile rispetto all’asse del flusso.

La superficie bagnata può contenere un paio di canali A e B (Fig. 2) perimetrali rispetto alla superficie alettata, che fungono da ingresso o convogliatori secondo la direzione del flusso del fluido. Questi canali, hanno principalmente la funzione di condotti per consentire una facile rimozione del vapore dalla superficie di trasferimento del calore, possono anche essere ricavati nel coperchio.

La superficie dei micro-canali può essere lucidata o sabbiata o può essere ruvida con un parametro di rugosità Ra preferibilmente compreso nell'intervallo: 0,01 micron - 500 micron.

Questa superficie può avere delle microstrutture costituite, ad esempio non limitativo, da: - polvere sinterizzata con dimensione delle particelle nell'intervallo: 0,05 µm - 1000 µm; - vernice speciale o rivestimento: sistema di rivestimento 3M;

- vernice o rivestimento;

- finiture chimiche o trattamenti chimici superficiali.

La superficie inferiore della base può essere piana o assumere una curvatura concava o convessa.

Il raggio di curvatura può essere compreso nell'intervallo: 3000-7000 mm

La finitura della superficie inferiore può essere ruvida o levigata con una rugosità descritta dal parametro Ra nell'intervallo: 0,05 µm - 500 µm.

La forma in pianta della base può essere qualsiasi, come ad esempio (ma non limitata a): quadrata, circolare, rettangolare, esagonale, ottagonale, ecc.

Per le basi quadrangolari, le dimensioni possono variare da 10 mm x 10 mm a 120 mm x 120 mm e oltre.

Per le basi a simmetria circolare, il diametro può variare da 10 mm a 120 mm e oltre.

La base potrebbe anche essere inscritta in un cerchio da pochi millimetri di diametro fino a 120mm ed oltre, in funzione delle applicazioni.

Per le forme rettangolari il rapporto tra il lato più lungo sul lato più corto va preferibilmente da 1 a 7 ed oltre.

E’ opportuno notare che oltre queste configurazioni geometriche relative a delle soluzioni costruttive con evaporatore singolo, si possono prevedere soluzioni modulari di due o più evaporatori per raffreddare superfici di grandi dimensioni e/o superfici con geometria complessa, o più superfici contemporaneamente. In tali configurazioni modulari, i singoli evaporatori possono essere disposti sulle superfici da raffreddare secondo matrici di varie forme (per esempio 1x2, 4x4, 3x5 ecc.) e i collegamenti idraulici, tra i medesimi evaporatori, possono essere in serie o in parallelo o combinazioni serie/parallelo.

I canali delimitati dalle alette possono avere l'asse longitudinale parallelo oppure inclinato rispetto ad uno dei lati.

Inoltre, sono possibili diverse geometrie: come ad esempio canali disposti a “V”, ondulati, a greca, ecc.

Per quanto riguarda il funzionamento dello scambio termico e idraulico del dissipatore di calore fin qui descritto, giova notare quanto segue.

La direzione del flusso può essere parallela all'asse longitudinale dei micro-canali (freccia verticale verso l’alto in Fig. 2) o trasversale all'asse longitudinale dei micro-canali (freccia orizzontale verso sinistra in Fig. 2).

La portata del fluido può variare in un ampio intervallo, fino a 1000 kg/h e oltre.

La velocità media del fluido nella sezione centrale dello scambiatore può variare da 0 a 30 m/s e oltre.

Il trasferimento di calore dalla base al fluido refrigerante avviene almeno secondo le modalità di scambio termico di seguito descritte in modo non esaustivo.

Il fluido refrigerante viene convogliato all'interno dell'involucro del dissipatore di calore attraverso un collettore di ingresso, dal quale fluisce lambendo un lato della piastra di base dotato di micro-canali e scorre verso l’uscita, oppure fluisce verso il centro della piastra stessa e si divide in due flussi verso le due estremità proseguendo all’uscita.

In alcune configurazioni preferite, come quelle rappresentate nelle figure 2, 5 e 7, il fluido viene spinto attraverso un condotto di ingresso ricavato nello spessore del coperchio. La direzione del flusso è ortogonale, dall'alto verso il basso (o viceversa), alla piastra stessa. In altre configurazioni, il collettore può essere integrato nella piastrina alettata con direzione parallela alla base della piastrina o ortogonale. In tal caso la piastrina ha una configurazione preferibilmente allungata per ospitare il collettore.

La geometria del collettore può essere triangolare, rettangolare oppure può avere altre forme anche complesse in funzione dell'applicazione o degli ingombri che si hanno a disposizione o per ottimizzare la distribuzione delle portate nei singoli canali. La superficie interna del collettore può essere ottimizzata per ridurre le perdite di carico, per migliorare la distribuzione di portata nei micro-canali, o avere degli spigoli vivi per favorire la formazione di vapore (ad esempio generando cavitazione o moti turbolenti). Inoltre, può essere presente un restringimento di sezione all'ingresso del collettore per ridurre o eliminare le instabilità del fluido bifasico nello scambiatore di calore..

Infine, il fluido refrigerante fluisce all'esterno dell'involucro del dissipatore di calore attraverso un collettore di uscita, per il quale sono applicabili le stesse considerazioni sulla forma e sulla direzione del flusso già descritte per il collettore di ingresso.

Il fluido può entrare nello scambiatore in condizioni di sotto-raffreddamento, con temperatura media del fluido inferiore alla temperatura di saturazione, oppure può entrare in condizioni di saturazione con temperatura media pari a circa quella di saturazione (può anche avere una temperatura leggermente inferiore o superiore). Il fluido in ingresso è generalmente allo stato liquido, ma può anche trovarsi in condizioni bifase con presenza di fase vapore o gassosa dovuta ad aria o altri gas incondensabili.

Durante il flusso verso l’uscita dello scambiatore di calore, il fluido passa dalla fase liquida alla fase vapore nei micro-canali. In alcuni casi, il fluido può cambiare di fase nei collettori laterali (A o B) e/o di ingresso.

Per quanto detto, il trasferimento di calore principale avviene tra la base dello scambiatore di calore ed il fluido refrigerante che fluisce all'interno dello scambiatore stesso. Inoltre, nel caso in cui la superficie del componente da raffreddare sia inferiore rispetto alla superficie della base dell’evaporatore, è presente un ulteriore trasferimento di calore tra il fluido e la superficie dello scambiatore non accoppiata con il componente da raffreddare. Tale scambio di calore avviene non appena la temperatura fluido è superiore alla temperatura dell'ambiente in cui è immerso lo scambiatore stesso.

A tale proposito, è opportuno notare che il coperchio e l’eventuale distanziatore tra il coperchio e la base alettata, possono essere realizzati con materiale trasparente (pyrex, vetro, zaffiro, policarbonato, acrilico o altro) oppure con materiale plastico, metallico, ceramico, fibra di carbonio o di vetro o altri materiali. Tali materiali, in funzione della loro conducibilità termica, possono contribuire o meno al trasferimento di calore verso l’ambiente esterno.

Diverse modalità di scambio termico intervengono durante il moto del fluido in condizioni bifasiche o multifasiche (miscela liquido-vapore e/o gas incondensabili e/o nanoparticelle e/o una loro combinazione):

- convezione,

- conduzione termica,

- cambiamento di fase,

- irraggiamento.

La convezione può essere sia forzata che naturale. Comunque quest’ultimo meccanismo ha un’influenza minima rispetto alle altre modalità di trasferimento di calore. La convezione è dovuta sia al moto della miscela liquido-vapore, delle bolle di vapore o di gas e al moto delle singole fasi liquida, vapore e gassosa o al moto delle eventuali altri fasi presenti nel fluido (per esempio nel caso di presenza di nanoparticelle). Questi moti generano turbolenze che incrementano il trasferimento di calore nelle varie fasi, principalmente quella liquida.

La conduzione termica è presente quando vi sono differenze di temperature tra le varie porzioni di fluido, principalmente in fase liquida. Tali differenze possono essere generate dal mescolamento dovuto al cambiamento di direzione repentino delle particelle fluide e ai fenomeni di turbolenza e di turbolenza indotta dalla presenza della fase vapore o dalle altre fasi (gassosa e/o solida).

L’ebollizione (cambiamento di fase) è il meccanismo principale di trasferimento di calore.

L’evaporazione avviene sia per nucleazione, cioè per formazione di bolle di vapore sulla superficie dei canali, sia per evaporazione del film liquido intrappolato tra la fase vapore e la parete del canale.

L'orientamento della piastrina alettata è definito dalla direzione dell'asse normale alla base della piastrina stessa. Ci possono essere vari orientamenti rispetto la forza di gravità: orizzontale con alette rivolte verso l'alto, verticale con fluido dal basso verso l'alto, orizzontale con alette rivolte verso il basso, verticale con fluido dall'alto verso il basso.

Oltre a questi orientamenti principali, si possono prevedere anche altri orientamenti possibili.

A questi orientamenti rispetto la forza di gravità, si aggiungono gli orientamenti rispetto alle accelerazioni a cui è sottoposta la piastrina per esempio quando il sistema di raffreddamento viene montato su un mezzo in movimento. Tali accelerazioni generano delle forze di inerzia che si sommano alla forza di gravità.

Il termine "refrigerante" è usato per indicare un fluido termovettore costituito da un qualsiasi fluido in grado di evaporare e condensare alle condizioni operative (temperature e pressioni) dei sistemi di raffreddamento per le varie applicazioni.

È possibile selezionare una varietà di fluidi per il sistema di raffreddamento in base al costo, al tipo di ottimizzazione desiderata, alla pressione di esercizio, al punto di ebollizione, alle norme di sicurezza, alla gamma di temperatura target (tipicamente 30-85°C per un dispositivo elettronico o anche superiore per dispositivi militari o altre applicazioni speciali, ma anche temperature basse rispetto la temperatura ambiente fino a -273°C) della fonte di calore, compatibilità dei materiali, compatibilità ambientale, stabilità, ecc.

Tipici fluidi puri che possono essere utilizzati come refrigerante per il sistema di raffreddamento sono: acqua, fluidi dielettrici, alcoli (etanolo, metanolo, iso-propanolo, ecc.), refrigeranti (R245fa, R136a, ecc.), refrigeranti naturali come ammoniaca, anidride carbonica (CO2), 3M™ Novec™ (7000, 7100, 649, ecc.), altri fluidi della 3M (FC 72 per esempio) o di altre marche, nonché fluidi come acetone, metalli allo stato liquido, fluidi criogenici (elio liquido per esempio), ecc.

Inoltre, per i sistemi di raffreddamento possono essere utilizzate anche miscele composte da vari fluidi oltre quelli sopra menzionati. Tali miscele possono avere concentrazioni relative che variano in base all’applicazione specifica e al tipo di ottimizzazione desiderata (temperature target del componente da raffreddare, per esempio). Si intendono anche miscele con gas incondensabili (aria, per esempio) e/o con nanoparticelle, cioè con presenza in varie concentrazioni di particelle solide o colloidali.

E’ anche opportuno osservare che, secondo la presente invenzione, la piastra di base del dissipatore/evaporatore è preferibilmente realizzata in materiali altamente conduttori termici come rame, alluminio, grafite, argento, ecc. a seconda dell’applicazione a cui è destinata, ma anche in materiali compositi contenenti fibra di carbonio, ceramici, grafite, ecc., nonché leghe metalliche. Come si è già accennato, possono essere utilizzati anche materiali trasparenti (pyrex, vetro, zaffiro, policarbonato, acrilico ecc.) o plastici o miscele di questi materiali con particelle metalliche per migliorane la conducibilità termica.

Anche per il coperchio si possono utilizzare vari materiali come quelli descritti per la piastra di base.

La piastra di base del dissipatore/evaporatore può essere anche realizzata con tecniche di sinterizzazione di metalli (tra cui: rame e molibdeno, rame e grafite, alluminio e grafite, ecc.) ed altri materiali; oppure con tecniche di asportazione di truciolo con macchine CNC, tecniche di stampa 3D di tipo additive manufacturing (SLS, Selective Layer Sintering o DMLS, Direct Metal Laser Sintering).

Per massimizzare lo scambio termico verso il fluido refrigerante, la superficie di interfaccia evaporatore/liquido sulla quale sono realizzate dette lamelle è trattabile chimicamente con una immersione per un periodo fino a 490 secondi e oltre in una qualunque sostanza basica in soluzione acquosa e con una successiva immersione fino a 800 secondi in una sostanza acida in soluzione acquosa.

Nella preferita forma realizzativa che si descrive, il sistema di raffreddamento a fluido bifase fin qui descritto comprende ulteriormente: una pompa a bassa portata, un opportuno serbatoio con funzione di polmone di compensazione, uno scambiatore di calore (recuperatore) opzionale tra fluido bifase o multifase uscente dall’evaporatore e il fluido entrante nell’evaporatore stesso, un condensatore (scambiatore di calore liquido/aria) con annesse ventole di ventilazione per lo smaltimento del calore, un sistema elettronico di controllo comprendente sensori, attuatori collegati ad una centralina elettronica, il tutto collegato con tubazioni aventi lunghezze e diametri configurati per raggiungere i risultati di massimizzazione dello smaltimento del calore.

LEGENDA:

A-B - canali perimetrali rispetto alla superficie alettata, che fungono da ingresso o convogliatori secondo la direzione del flusso del fluido

AL - alette di raffreddamento

BA – base alettata dissipatore di caloreevaporatore

C – coperchio dissipatore di calore-evaporatore D - distanziatore opzionale tra coperchio e base

I - condotto/collettore di ingresso del fluido refrigerante

U - condotto/collettore di uscita del fluido refrigerante

Claims

RIVENDICAZIONI: 1. Sistema di raffreddamento bifase a convezione forzata, caratterizzato dal fatto di prevedere un apparato a circuito idraulico chiuso di un fluido refrigerante termovettore comprendente: - dei mezzi di pompaggio di un fluido refrigerante che, almeno in alcuni tratti del circuito, è bifase liquido-gas o multifase, - un dissipatore-evaporatore configurato per trasferire il calore per conduzione da un componente da raffreddare al fluido refrigerante, - un condensatore, in grado di condensare il vapore che si sviluppa sull’evaporatore e contemporaneamente dissipare nell’ambiente il calore ceduto dal fluido refrigerante sia tramite conduzione, convezione e radiazione che tramite condensazione, - un serbatoio che funge anche da vaso di espansione, oppure un serbatoio ed un vaso di espansione distinti e collegati tra loro, - una pluralità di sensori comprendenti sensori di portata, pressione e temperatura ed un sistema di controllo elettronico della pompa.
2. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che comprende ulteriormente uno scambiatore di calore, che funge da recuperatore tra fluido bifase o multifase uscente dall’evaporatore e il fluido entrante nell’evaporatore stesso.
3. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito idraulico è un anello chiuso in cui il fluido refrigerante, che è presente in doppio stato liquido-vapore, o in stato multifase in caso di presenza di gas incondensabili e/o di nanoparticelle, è posto in circolazione da una pompa di detti mezzi di pompaggio.
4. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto fluido refrigerante parte dalla pompa in fase totalmente liquida, passando parzialmente dallo stato liquido a quello di vapore nell’evaporatore, con una percentuale definibile dai parametri del sistema e controllabile da un sistema elettronico che regola la portata della pompa, la pressione del sistema e la velocità del flusso d’aria al condensatore, in modo tale da mantenere l’evaporazione e la temperatura della superficie da raffreddare al livello desiderato.
5. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che prevede mezzi configurati per controllare il titolo del vapore, allo scopo di massimizzare la dissipazione del calore in quanto si estrae anche il calore latente di evaporazione; a tale scopo essendo previsti mezzi per gestire il controllo dell’evaporazione e della successiva condensazione attraverso dei sensori disposti in posizione opportuna nel circuito che inviano i loro segnali ad una scheda elettronica di controllo che comanda sia la portata della pompa che la velocità delle ventole del condensatore.
6. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dissipatore di calore-evaporatore comprende un involucro costituito da una base e da un coperchio, che insieme definiscono dei passaggi obbligati per il fluido refrigerante.
7. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta base è una piastra di materiale conduttore termico, con una superficie inferiore a contatto con l’elemento da raffreddare ed una superficie superiore su cui sono presenti una pluralità di alette parallele (o leggermente convergenti/divergenti) tra loro che definiscono una corrispondente molteplicità di canali; in cui ciascuno di detti canali è delimitato da due alette adiacenti e dalla superficie della base stessa presente tra di esse.
8. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il lato superiore di ciascun canale è chiuso da una superficie inferiore del coperchio, oppure è aperto ed in tal caso il coperchio è posto ad una certa distanza dall'estremità libera delle alette.
9. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che tra la base ed il coperchio è previsto un sistema di guarnizioni per garantire la tenuta idraulica del sistema, oppure tra il coperchio e la base è previsto un elemento distanziatore che può contenere o meno il sistema di guarnizioni per garantire la tenuta idraulica del dissipatore di calore, rispettivamente con la base e con il coperchio.
10. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che detti canali, chiamati anche micro-canali, presenti sulla superficie superiore della base dello scambiatore: - hanno tutti la stessa lunghezza oppure hanno lunghezze non uniformi tra loro; - l'altezza delle alette che definiscono i canali è uniforme oppure non uniforme, ed in caso di altezza non uniforme: - le alette hanno altezze decrescenti in modo lineare, quadratico, cubico, ecc. da un lato di ingresso o uscita fino al lato opposto; - oppure hanno altezze decrescenti dal centro verso le estremità o viceversa.
11. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che dette alette hanno una superficie discontinua, avente delle aperture o fori che collegano un canale con almeno un canale adiacente.
12. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che il corpo delle alette è ortogonale alla superficie della base oppure è inclinato rispetto ad essa.
13. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che il flusso del fluido refrigerante è parallelo o trasversale rispetto l’asse dei canali, oppure obliquo ad essi nel caso in cui i canali sono disposti secondo un angolo rispetto all’asse del flusso.
14. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che la superficie bagnata dal fluido refrigerante contiene un paio di canali (A e B) perimetrali rispetto alla superficie alettata, che fungono da ingresso o convogliatori secondo la direzione del flusso del fluido; in cui detti canali (A, B) sono ricavabili nella base, o nel coperchio, o in un distanziatore interponibile tra di essi; tali canali essendo configurati per consentire una facile rimozione del vapore dalla superficie di trasferimento del calore.
15. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che la superficie dei micro-canali è lucida, o sabbiata, o ruvida con un parametro di rugosità Ra compreso nell'intervallo: 0,01 micron - 500 micron.
16. Sistema di raffreddamento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta superficie dei micro-canali prevede delle delle micro-strutture costituite da: - polvere sinterizzata con dimensione delle particelle nell'intervallo: 0,05 µm - 1000 µm; - vernice speciale o rivestimento: sistema di rivestimento 3M<©>; - vernice o rivestimento; - finiture chimiche.
17. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che la superficie inferiore della base è piana, oppure ha una curvatura concava o convessa.
18. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che la finitura della superficie inferiore della base è ruvida oppure è levigata con una rugosità descritta da un parametro Ra nell'intervallo: 0,05 µm - 500 µm.
19. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che i canali delimitati dalle alette hanno l'asse longitudinale parallelo oppure inclinato rispetto ad uno dei lati.
20. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che detti canali sono disposti a “V”, oppure ondulati, o a greca.
21. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che la direzione del flusso del fluido refrigerante è parallela all'asse longitudinale dei micro-canali, oppure è trasversale all'asse longitudinale dei micro-canali.
22. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che è configurato in modo tale che, durante il flusso verso l’uscita dello scambiatore di calore, il fluido refrigerante passa dalla fase liquida alla fase vapore nei micro-canali.
23. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 6 in poi, caratterizzato dal fatto che la piastra di base del dissipatore/evaporatore è realizzata in materiali altamente conduttori termici come rame, alluminio, grafite, argento, ecc., oppure in materiali compositi contenenti fibra di carbonio, ceramici, grafite, ecc., nonché leghe metalliche, oppure ancora materiali trasparenti come ad esempio pyrex, vetro, zaffiro, policarbonato, acrilico, ecc. o materiali plastici o miscele di questi materiali con particelle metalliche per migliorane la conducibilità termica.
24. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 6 a 22, caratterizzato dal fatto che la piastra di base del dissipatore/evaporatore è realizzata con tecniche di sinterizzazione di metalli tra cui: rame e molibdeno, rame e grafite, alluminio e grafite, ecc. ed altri materiali; oppure con tecniche di asportazione di truciolo con macchine CNC, tecniche di stampa 3D di tipo additive manufacturing (SLS, DMLS).
25. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni da 7 in poi, caratterizzato dal fatto che, per massimizzare lo scambio termico verso il fluido refrigerante, la superficie di interfaccia evaporatore/liquido sulla quale sono realizzate dette lamelle è trattabile chimicamente con una immersione per un periodo fino a 490 secondi e oltre in una sostanza basica in soluzione acquosa, e con una successiva immersione per un periodo fino a 800 secondi in una sostanza acida in soluzione acquosa.
26. Sistema di raffreddamento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende, in combinazione: una pompa a bassa portata, un opportuno serbatoio con funzione di polmone di compensazione, un condensatore configurato per fungere da scambiatore di calore liquido/aria dotato di ventole di ventilazione per lo smaltimento del calore, un sistema elettronico di controllo comprendente dei sensori e degli attuatori collegati ad una centralina elettronica, nonchè una pluralità di tubazioni di collegamento tra le diverse parti, le quali tubazioni hanno lunghezze e diametri configurati per massimizzare lo smaltimento del calore.