ITRM20070593A1 - Microdissipatore polimerico, in particolare per il condizionamento termico di dispositivi meccanici ed elettronici. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di Brevetto d'Invenzione avente per titolo:
"Microdissipatore polimerico, in particolare per il condizionamento termico di dispositivi meccanici ed elettronici"
La presente invenzione riguarda un microdissi-patore polimerico, in particolare per il condiziona-mento termico di dispositivi meccanici ed elettroni-ci.
Più precisamente, l'invenzione riguarda un mi-crodissipatore polimerico che presenti doti di adat-tabilità geometrica ed alta potenza dissipata per unità di volume.
Il controllo termico è necessario in una quan-tità innumerevole di applicazioni industriali, dall'industria tessile, all'industria aerospaziale, all'industria meccanica, all'industria biomedica.
A titolo di esempio, è noto che, durante le missioni spaziali, le conseguenze provocate dai pro-blemi legati al condizionamento termico delle appa-recchiature, al comfort del personale e agli stress termomeccanici delle strutture sono di fondamentale importanza per la buona riuscita della missione stes-sa. Sono inoltre da sottolineare priorità quali l'ingombro e la leggerezza delle strutture e delle strumentazioni utilizzate, caratteristiche spesso di difficile ottenimento.
Ancora, l'aumento delle prestazioni richiesto ai moderni circuiti elettronici di un personal compu-ter ha fatto sì che aumentasse la potenza dissipata dal microprocessore: questo significa un suo surri-scaldamento e una conseguente diminuzione della velo-cità di elaborazione dei dati.
Per questo motivo si è reso necessario lo stu-dio e lo sviluppo di nuovi sistemi di raffreddamento che in pochi anni sostituiranno le tradizionali ven-tole, ormai al limite delle loro prestazioni (per esempio adottare ventole di dimensioni maggiori signi-ficherebbe aumentare la loro rumorosità durante il funzionamento, conseguenza sgradita dal punto di vi-sta del comfort). Da anni nel campo della microelet-tronica è in atto una progressiva riduzione delle di-mensioni dei componenti utilizzati: se non fosse pre-visto alcun sistema di raffreddamento, la temperatura di esercizio dei componenti elettronici crescerebbe enormemente, causando non pochi e rilevanti problemi.
Si rende quindi necessaria una miniaturizzazio-ne del sistema di condizionamento termico, con la conseguente possibilità di condizionare termicamente apparecchiature estremamente compatte.
Anche se sono state sviluppate diverse tecnolo-gie in microscala con sistemi in silicio e in metal-lo, mancano sistemi modulari e modellabili, cioè adattabili alle geometrie del dispositivo. Nello stato attuale della tecnica, non esistono microdissipatori in grado di essere allo stesso tempo flessibili, estendibili, modellabili e ultraleggeri con i materia-li del tipo suddetto.
Un primo passo verso nuovi dispositivi è stato fatto utilizzando tubi polimerici per poter veicolare fluidi corrosivi e poter piegare più facilmente i tu-bi stessi al fine dell'adattamento spaziale.
Volendo però miniaturizzare questa tecnologia, emergono problemi ed inconvenienti.
Infatti, in alcuni lavori sull'argomento (J.R. Burns, R.J.J. Jachuck, "Condensation studies using cross-corrugated polymer film compact heat exchanger", 21 (2001) 495-510; L. Zaheed, R.J.J. Jachuck, "Review of polymer compact heat exchanger with special emphasis on a polymer film unit", 24 (2004) 2323-2358), si trovano i polimeri utilizzati per dis sipatori non microscopici. Poiché i polimeri sono scarsi conduttori, occorre progettarli in modo tale da massimizzare lo scambio termico.
Nel caso di nanotubi o microtubi polimerici, tuttavia, il coefficiente di scambio termico è pro-porzionale al diametro del tubo, e quindi tale coef-ficiente risulta essere naturalmente alto.
Per spiegare ciò in modo semplice, si può pen-sare che, avendo la possibilità di costruire piccoli scambiatori di calore con questi capillari polimerici, si possa avere contemporaneamente la possibilità di aumentare lo scambio termico agendo sul coeffi-ciente di scambio termico convettivo, come si può de-finire dalla legge che descrive fisicamente lo scam-bio termico:
dove A è il coefficiente di scambio termico, S è la superficie di scambio e ΔΓ è la differenza di tempe-ratura tra il fluido e l'ambiente circostante.
Questo coefficiente h è a sua volta una funzio-ne di vari parametri tra cui il diametro e la tipolo-gia di flusso. In particolare, h è inversamente pròporzionale al diametro e aumenta all'aumentare della turbolenza del flusso.
Ora, in questi tubi polimerici il diametro pic-colo aumenta molto il coefficiente, ma dovendo cerca-re di non avere perdite di carico troppo elevate si devono utilizzare piccole portate. Una piccola porta-ta in un piccolo condotto non produce un moto turbo-lento.
Per ottenere quindi la turbolenza, in lettera-tura è riportato l'uso di corrugazioni di vario gene-re (vedi articolo sopra citato di J.R. Burns e R.J.J. Jachuck).
Le corrugazioni però possono essere difficili da realizzare al livello dei microtubi.
Sono presenti infine in letteratura (brevetto US6892802) dei dissipatori polimerici in cui i canali per i fluidi sono stampati su una base polimerica e sono tutti canali in linea retta, senza adattabilità spaziale e senza possibilità di aumentare la turbo-lenza senza corrugazioni.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un microdissipatore polimerico che risolva i problemi, superi gli inconvenienti della tecnica an-teriore, e ne costituisca una valida alternativa.
E' oggetto della presente invenzione un micro-dissipatore polimerico, in particolare per il condi-zionamento termico di dispositivi meccanici ed elet-tronici, comprendente:
- una struttura di microtubi nei quali scorre un fluido refrigerante;
- un sistema di adduzione, distribuzione e rac-colta dopo utilizzo del fluido refrigerante;
il microdissipatore essendo caratterizzato dal fatto che i microtubi sono microtubi polimerici che presen-tano restringimenti e rigonfiamenti così da presenta-re una sezione variabile.
Preferibilmente secondo l'invenzione, la varia-zione di detta sezione è compresa tra il 10 ed il 40% della sezione media.
Preferibilmente secondo l'invenzione, i micro-tubi polimerici presentano una o più curvature.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto si-stema di adduzione, distribuzione e raccolta dopo utilizzo del fluido refrigerante comprende un unico collettore al quale sono connessi i microtubi polime-rici sia per l'entrata che per l'uscita del fluido refrigerante, i microtubi presentando almeno una cur-vatura.
Preferibilmente secondo l'invenzione, i micro-tubi polimerici sono realizzati con estrusi di poli-mero, a tubi incollati o a un condotto multilumen con diversi condotti.
Preferibilmente secondo l'invenzione, i micro-tubi polimerici utilizzano un polimero scelto nel gruppo consistente in: fluoropolimeri, poliolefine, poliammidi, poliesteri, poli-butilen-tereftalati, policarbonati, polifenilsulfuro, elastomeri termopla-stici, e polimeri ad alte prestazioni, quali, a tito-lo esemplificativo, poli-etere-etere-chetone.
Preferibilmente secondo l'invenzione, il fluido refrigerante scelto nel gruppo consistente in gas (aria secca, elio, azoto, ossigeno, argon), liquidi (acqua, HFC, refrigeranti quali ad esempio, RII, R12 (FREON), R22 (FE-22), R23 (FE-13), R113, R114, R123, R124, R125 (FE-25), R134a, R500, R502, R503, R13B1, HFC-227ea (FM-200, FE-227, RT-227), Halon 1211, e Halon 1301.
Preferibilmente secondo l'invenzione, i micro-tubi polimerici sono in materiali compositi a matrice polimerica ad alta conducibilità termica k > 5 W/mK.
Preferibilmente secondo l'invenzione, il micro-dissipatore comprende ulteriormente:
un sistema di sensori atti alla rilevazione e regolazione dei parametri termici e fluidodinamici di interesse;
- un sistema di controllo, regolazione, acquisi-zione e memorizzazione dei parametri di interesse.
L'invenzione verrà ora descritta a titolo illu-strativo ma non limitativo, con particolare riferi-mento ai disegni delle figure allegate, in cui:
la figura 1 mostra una prima forma di realizza-zione del microdissipatore secondo l'invenzione;
le figure 2a-f mostrano differenti forme di re-alizzazione dei microtubi utilizzati nel microdissi-patore secondo l'invenzione;
la figura 3 mostra differenti forme di realiz-zazione del microdissipatore secondo l'invenzione;
la figura 4 mostra un'ulteriore, compatta forma di realizzazione del microdissipatore secondo 1'invenzione.
Facendo riferimento alla figura 1, il microdis-sipatore 100 secondo l'invenzione comprende, in una sua particolare forma di realizzazione:
- una struttura di microtubi polimerici 20 nei quali può scorrere un fluido refrigerante;
un sistema di adduzione, distribuzione e rac-colta dopo utilizzo del fluido refrigerante (sono mo-strati solo i collettori 10,11, cfr. figura 4);
- un sistema di sensori (non mostrati) atti alla rilevazione e regolazione dei parametri termici e fluidodinamici di interesse;
- un sistema di controllo (non mostrato), regola-zione, acquisizione e memorizzazione dei parametri di interesse.
Il suddetto sistema di adduzione, distribuzione e raccolta del fluido refrigerante nel microdissipa-tore 100 è costituito da collettori 10,11 metallici oppure polimerici, o ancora da piccoli polmoni di ac-cumulo.
A tali collettori si connettono dei fasci 20 di microtubi polimerici in forma cilindrica, o a stri-scia o sviluppati ad intreccio. Questo è meglio illu-strato nelle figure 2a-f.
In figura 2a, infatti, è mostrato un fascio 20 di nanotubi che appunto sono raggruppati e separati in modo da semplificare la distribuzione. In partico-lare, i microtubi sono stati disposti uno di fianco all'altro, e poi incollati tra loro con una colla ra-pida unicamente sulla faccia che non verrà a contatto con la superficie da raffreddare. Più precisamente la colla è distribuita solo su quella parte di microtubi che va dall'uscita del collettore fino all'inizio della superficie da raffreddare: avendo una conducibilità termica molto bassa, isola i micro-tubi dall'ambiente esterno, in modo tale che l'aumento di temperatura del gas refrigerante sia do-vuto unicamente allo scambio termico in corrisponden-za della superficie da raffreddare.
Facendo ora riferimento alla figura 2b, i mi-crotubi sono ottenuti con un estruso multilumen a supporto cilindrico, mentre nella figura 2c si illu-stra lo stesso estruso, ma con i microtubi interna-mente separati da un setto.
Nelle figure 2d-2f sono illustrati degli estru-si piatti con i microtubi rispettivamente a sezione rettangolare, circolare e circolare suddivisi da un setto.
Secondo invenzione, detto sistema di sensori atti alla rilevazione dei parametri termici e fluidodinamici di interesse è costituito da almeno una ter-mocoppia, o termoresistenza, o altre tecniche di ri-levazione di temperatura, e ancora da misuratori di pressione, di portata, disposti in corrispondenza di zone chiave del microdissipatore.
Ulteriormente secondo invenzione, detto sistema di controllo, acquisizione e memorizzazione dei para-metri di interesse comprende a sua volta: un primo sistema di acquisizione e controllo posto nelle vici-nanze del microdissipatore; un secondo sistema infor-mativo di memorizzazione ed elaborazione dei dati ri-levati; un sistema elettronico di comunicazione tra detto primo sistema informativo e detto secondo si-stema informativo; un sistema elettronico di trasmis-sione di segnali provenienti da detto sistema di sen-sori.
Al fine di permettere un agevole utilizzo del sistema di condizionamento secondo invenzione, il suddetto primo sistema informativo comprende a sua volta: mezzi atti alla gestione di una serie di dati provenienti da detto sistema di sensori; mezzi atti alla gestione di una serie di segnali di comando di-retti verso il suddetto sistema di regolazione; mezzi atti alla gestione di uno scambio di dati con un si-stema esterno tramite cavo.
Il suddetto secondo sistema informativo è co-stituito da un personal computer comprendente un mo-nitor, una tastiera, un mouse ed un ambiente di svi-luppo in grado di acquisire, memorizzare ed elaborare i segnali da e per il microdissipatore a microtubi polimerici.
Tornando alla parte relativa alla dissipazione, i collettori di adduzione e distribuzione del fluido refrigerante sono opportunamente disegnati al fine di ottenere un adeguato montaggio della strip polimerica che comprende i microtubi. Facendo riferimento alle figure da 3a a 3d, esistono differenti possibilità riguardo alle forme dei collettori e degli stessi fa-sci tuberi, come illustrato.
Nella Figura 4 è riportata una vista in pro-spettiva di un'ulteriore preferita forma di realizza-zione del dissipatore secondo l'invenzione, con una differente disposizione dei collettori di adduzione e distribuzione del fluido refrigerante.
Si rappresenta in figura un sistema modulare ad unico collettore per controllo termico di più dispo-sitivi. I tubi partono da una prima porzione 10 del collettore, dove si ha l'entrata 30 del fluido refri-gerante, e tornano alla seconda porzione il del col-lettore, dove si ha l'uscita 31 del fluido refrige-rante. Questo è possibile grazie alla possibilità di variare le geometrie a piacimento e all'elasticità dei tubi polimerici.
A tutto ciò va aggiunta tuttavia una caratteri stica essenziale dell'invenzione, ovvero quella che i microtubi sono formati con dei restringimenti e/o dei rigonfiamenti lungo la loro estensione. Questo accor-gimento permette di superare il problema della gene-razione della turbolenza anche in assenza di corrugazioni ed in presenza di carichi bassi.
In particolare, la variazione della sezione dei microtubi è compresa tra il 10 ed il 40% della sezio-ne media.
La realizzazione di un sistema di questo tipo ha dunque richiesto 1'implementazione di moderne so-luzioni tecnologiche inerenti:
- l'acquisizione e la messa a punto di materiali polimerici con caratteristiche termiche, meccaniche e chimiche adeguate;
la realizzazione dei capillari polimerici co stituiti, a titolo esemplificativo e non esaustivo né limitativo, da microtubi di varie sezioni e forme;
- la messa a punto di una procedura per il montaggio dei microtubi polimerici;
la realizzazione di un sistema di distribuzione del fluido refrigerante costituito, a titolo esempli-ficativo e non esaustivo né limitativo, da collettori a diverse geometrie e materiali;
la realizzazione di un sistema di sensori per la rilevazione di temperature costituito, a titolo esemplificativo e non esaustivo né limitativo, da termocoppie, termoresistenze;
- la realizzazione di un sistema di sensori per la rilevazione delle pressioni;
- la realizzazione di un sistema di regolazione della portata di fluido refrigerante costituito, a titolo esemplificativo e non esaustivo né limitativo, da trasduttori di pressione, sistemi di valvole;
Il sistema a microdissipatore a microtubi poli-merici descritto per il condizionamento termico di apparecchiature raggiunge gli scopi proposti. Esso in particolare:
- permette il condizionamento termico di apparec-chiature ad elevata intensità di impaccamento e di piccole dimensioni;
- permette l'installazione di tale sistema di condizionamento termico laddove compattezza e legge-rezza sono peculiarità fondamentali, a titolo esem-plificativo e non esaustivo né limitativo in applica-zioni aerospaziali;
- permette il raggiungimento di elevata efficien-za termica.
Gli effetti vantaggiosi derivanti dall'utilizzo di un apparato secondo la presente invenzione sono: ottenere sistemi ad elevato rapporto tra super-ficie di scambio e volume del microdissipatore a mi-crotubi polimerici, cioè elevata efficienza termica, caratteristica che permette il raggiungimento di ele-vate potenze dissipate per unità di volume, di diffi-cile raggiungimento, a parità di dimensioni, con con-venzionali sistemi di condizionamento termico;
- ottenere sistemi ad elevata leggerezza e com-pattezza del microdissipatore a microtubi polimerici, grazie all'utilizzo di materiali a bassa densità e alle piccole dimensioni del sistema;
- ottenere sistemi ad elevata modellabilità e mo-dularità del microdissipatore a microtubi polimerici, così da poterlo adattare a diverse geometrie raggiun-gendo zone ad elevato impaccamento di strumentazioni, altrimenti difficilmente raggiungibili;
ottenere sistemi a basse perdite di carico, elemento fondamentale e critico quando si procede ver-so una miniaturizzazione di un sistema di condiziona-mento termico.
Riassumendo, le caratteristiche vantaggiose del microdissipatore a microtubi polimerici sono:
flessibilità e modellabilità;
economicità;
- condizionamento termico affidabile delle stru-mentazioni in tal modo condizionate;
- la possibilità di condizionare termicamente zo-ne ad alto impaccamento;
- la possibilità di ottenere elevati flussi ter-mici dissipati.
In particolare, dato l'alto rapporto tra super-ficie di scambio e volume di tali sistemi, la potenza termica specifica per unità di volume raggiunge valo-ri difficilmente raggiungibili a parità di dimensioni con apparati in scala maggiore. Questa caratteristica conferisce al microdissipatore 100 a microtubi poli-merici secondo l'invenzione la possibilità di essere utilizzato, oltre che in ambito aerospaziale, dove compattezza, leggerezza e efficienza sono fondamenta-li, anche in molti altri ambiti terrestri (raffredda-mento di circuiti integrati, raffreddamento di tele-foni cellulari e computer portatili, applicazioni biomediche, condizionamento di indumenti in condizio-ni ambientali severe).
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state sugge-rite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno ap portare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Microdissipatore polimerico, in particolare per il condizionamento termico di dispositivi mecca-nici ed elettronici, comprendente: - una struttura di microtubi nei quali scorre un fluido refrigerante; - un sistema di adduzione, distribuzione e rac-colta dopo utilizzo del fluido refrigerante; il microdissipatore essendo caratterizzato dal fatto che i microtubi sono microtubi polimerici che presen-tano restringimenti e rigonfiamenti così da presenta-re una sezione variabile.
- 2. Microdissipatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la variazione di det-ta sezione è compresa tra il 10 ed il 40% della se-zione media.
- 3. Microdissipatore secondo la rivandicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che i microtubi polime-rici presentano una o più curvature.
- 4. Microdissipatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto sistema di ad-duzione, distribuzione e raccolta dopo utilizzo del fluido refrigerante comprende un unico collettore al quale sono connessi i microtubi polimerici sia per l'entrata che per l'uscita del fluido refrigerante, i microtubi presentando almeno una curvatura.
- 5. Microdissipatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che i microtubi polimerici sono realizzati con estrusi di polimero, a tubi incollati o a un condotto multilumen con diversi condotti.
- 6. Microdissipatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che i microtubi polimerici utilizzano un polimero scelto nel gruppo consistente in: fluoropolimeri, poliolefine, poliammidi, poliesteri, poli-butilen-tereftalati, policarbonati, polifenilsulfuro, elastomeri termopla-stici, e polimeri ad alte prestazioni, quali, a tito-lo esemplificativo, poli-etere-etere-chetone.
- 7. Microdissipatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che il fluido refrigerante scelto nel gruppo consistente in gas (aria secca, elio, azoto, ossigeno, argon), liquidi (acqua, HFC, refrigeranti quali ad esempio, Rii, R12 (FREON), R22 (FE-22), R23 (FE-13), R113, R114, R123, R124, R125 (FE-25), R134a, R500, R502, R503, R13B1, HFC-227ea (FM-200, FE-227, RT-227), Halon 1211, e Halon 1301.
- 8. Microdissipatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, caratterizzato dal fatto che i microtubi polimerici sono in materiali compositi a matrice polimerica ad alta conducibilità termica k > 5 W/mK.
- 9. Microdissipatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente: - un sistema di sensori atti alla rilevazione e regolazione dei parametri termici e fluidodinamici di interesse; - un sistema di controllo, regolazione, acquisi-zione e memorizzazione dei parametri di interesse.
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| ITRM20070593 ITRM20070593A1 (it) | 2007-11-15 | 2007-11-15 | Microdissipatore polimerico, in particolare per il condizionamento termico di dispositivi meccanici ed elettronici. |
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