Utilizzando una tecnologia non molto diversa da quella presente nei freezer delle cucine, i progettisti stanno utilizzando le pompe di calore, i dissipatori di calore e i tubi di calore per raffreddare i punti che compromettono le prestazioni di ogni oggetto, dai satelliti agli smartphone.
Con l'avanzare della tecnologia, la gestione termica acquisisce sempre più importanza. Per molti impieghi, un semplice dissipatore di calore e una ventola possono bastare, ma per applicazioni in cui i componenti lavorano a pieno carico e generano tanto calore, sono necessari dei passaggi ulteriori. Inoltre, nei dispositivi elettronici moderni ci sono delle funzioni ben più critiche rispetto al risparmio di energia, e ciò è vero sia che si tratti di dispositivi che funzionano grazie alla carica di una batteria, sia di parti di sonde che viaggiano nello spazio. Sebbene ciò suoni controintuitivo all'inizio, i sistemi come questi possono togliere una grande responsabilità per il raffreddamento alle ventole senza aggiungere molto peso al sistema, e risparmiare molta dell'energia della batteria che sarebbe stata altrimenti impiegata al raffreddamento.
Se si impiega del disinfettante su una ferita infetta, si sente un istantaneo effetto refrigerante. Ciò accade perché la temperatura della pelle scalda l'alcool per farlo passare dallo stato liquido a quello gassoso. Il processo di evaporazione toglie un po' del calore della pelle nel momento in cui il gas si allontana da essa. Nello stesso modo funzionano i vari tipi di cosmetici disponibili in lattine come gas pressurizzati che il consumatore spruzza sulla propria pelle, con il risultato di un effetto di freschezza, dovuto alla riduzione di pressione improvvisa del gas. Questi sono i principi sottostanti alle pompe di calore e di refrigerazione.
Come funziona un frigorifero
Figura 1: Modello base di un frigorifero (Fonte: Charchitecture)
Guardando la figura qui sopra, la prima cosa che si nota è il circuito chiuso della pompa del compressore, che parte dal condensatore e passa dalla valvola di espansione, dall'evaporatore e, infine, ritorna alla pompa del compressore. Quest'ultima estrae gas dall'evaporatore e lo pompa nel condensatore, la parte posta all'esterno del refrigeratore, che è calda al tatto perché il gas si condensa in liquido ad alta pressione. La valvola di espansione permette al liquido ad alta pressione di passare lentamente nell'evaporatore, che è un'area di bassa pressione, grazie all'azione del compressore, che estrae gas dall'evaporatore e lo porta nel condensatore. Nell'evaporatore, a causa della bassa pressione, il liquido evapora creando l'effetto di raffreddamento. Infine, il compressore rimuove il gas dall'evaporatore, creando bassa pressione e il processo continua.
Come funziona una pompa di calore
Le pompe di calore funzionano in un modo un po' diverso. La principale differenza consiste nel fatto che esse non hanno bisogno di una pompa. Ciò le rende pratiche da usare nelle applicazioni a basso consumo di energia, come i dispositivi elettronici mobili. In verità, questa non è un'idea del tutto nuova, dato che si tratta di una tecnologia già affermata per i computer portatili.
Figura 2: Diagramma di una pompa di calore (Fonte: eTray News)
Nella CPU, o in qualsiasi altra parte surriscaldata, che è protetta, il liquido nella pompa di calore è vaporizzato e assorbe il calore in eccesso della CPU, come indicato nella parte sinistra dello schema dalle frecce rosse. Il vapore caldo si fa strada fino ad arrivare alla fine della chiusura della pompa, che può entrare in contatto con il dissipatore o può essere esposta all'aria aperta. Può essere presente o meno il supporto di una ventola. In ogni caso il suo calore viene trasferito come indicato nella seconda serie di frecce rosse, e il gas diventa liquido.
Ora il liquido deve ritornare nell'area del dissipatore in contatto con la CPU, cosa che fa passando inizialmente per una rete di tubi molto stretti, detti capillari. Attraverso un processo noto ai fisici come capillarità, il liquido è portato nei capillari e viaggia a una distanza calcolata, anche contro la gravità. Il sistema è stato studiato in modo che la capillarità sia sufficiente per far tornare il liquido alla CPU, e il ciclo continua.
Ora il tuo tablet ha una pompa di calore incorporata
Ecco come si presenta il sistema di pompe nel Microsoft Surface Pro IV.
Figura 3: Il sistema di pompe del Microsoft Surface Pro IV (Fonte: Sean Org, Windows Central)
In questo caso il liquido è l'acqua. Il calore della CPU trasforma l'acqua in vapore, che la pompa trasmette alla kickstand e alla ventola del dispositivo, dove esso ritorna allo stato liquido. Grazie al circuito della pompa di calore, la ventola entra in funzione raramente.
Condotti termici per astronavi
I sistemi di controllo del riscaldamento per le astronavi fanno fronte a due missioni. In quanto dispositivi elettronici terrestri, essi presentano aree che richiedono che il calore sia rimosso; ma, in aggiunta a ciò, a causa di condizioni di freddo estreme, c'è un'altra richiesta di rifornimento di calore, che implica opportunità uniche, ma anche alcune difficoltà.
Una di queste è rappresentata dalla necessità di avere sistemi a doppio circuito. Il primo circuito è simile a quello già visto, che contiene tutte le parti che, come è noto, producono calore in eccesso all'interno dell'astronave. In un nodo di scambio centrale i compiti da svolgere sono due . Il primo è trasferire il calore in eccesso al secondo circuito, che porta calore in quelle aree che, esposte al freddo vuoto dello spazio, richiedono un maggior calore per funzionare correttamente. Il secondo è diffondere il calore non necessario nel vuoto spaziale.
Un'importante considerazione in questo tipo di sistemi riguarda la sicurezza degli esseri umani che viaggiano nello spazio, i quali si trovano nelle aree dove si produce calore in eccesso. Questo primo circuito deve utilizzare un fluido non tossico per il trasporto del calore, in modo da salvaguardare l'equipaggio in caso di perdite. Questo circuito, basato su un'azione capillare, può essere sostanzialmente simile ai sistemi per i componenti elettronici terrestri.
Quando la topologia di un'astronave rende realizzabili sistemi come questi, essa presenta un vantaggio unico per i progettisti: l'enorme risparmio di energia reso possibile dall'utilizzo del calore in eccesso già generato per provvedere al riscaldamento di aree che ne hanno bisogno, in luogo dell'alternativa rappresentata dall'utilizzo di una minore energia di sistema utilizzata per generare la stessa quantità di calore. Ciò consente all'energia (che in caso contrario dovrebbe aumentare) di alimentare altri strumenti e funzionalità di bordo, con una maggiore produttività delle missioni spaziali, a vantaggio di tutti.
