Sul controllo termico di dispositivi miniaturizzati mediante circuiti bifase a circolazione naturale

L’attività di ricerca illustrata in questo lavoro è stata svolta dall’autore presso il Dipartimento di Energetica Lorenzo Poggi dell’Università di Pisa, nell’ambito del corso di Dottorato in Energetica Elettrica e Termica.
Tale attività riguarda la tematica generale dell’impiego di circuiti bifase a circolazione naturale come sistemi di controllo termico per apparati di piccola scala.
I settori applicativi principalmente indicati per l’impiego di questi dispositivi, come dimostrato dalla letteratura tecnico-scientifica, risultano essere il settore delle telecomunicazioni e quello della componentistica elettronica.
In questi settori, la riduzione delle dimensioni dei dispositivi di raffreddamento presenta problemi non ancora risolti, quali ad esempio: il notevole incremento delle perdite di carico nei condotti dei tradizionali circuiti bifase, la necessità di ricorrere a complessi e costosi promotori di effetto capillare per la circolazione del fluido vettore ed infine l'incremento delle resistenze termiche fortemente dipendente dalla disposizione delle sorgenti di scambio rispetto al campo gravitazionale.
Le tecniche di raffreddamento sfruttanti dispositivi privi di esse, come i circuiti bifase a circolazione non stazionaria del fluido vettore, in particolare pulsating heat pipes e termosifoni a funzionamento periodico, presentano importanti prospettive di utilizzo in alternativa ai tradizionali tubi di calore.
La caratterizzazione del funzionamento di pulsating heat pipes di piccola scala è stata oggetto di analisi da parte di vari gruppi di ricerca. Al contrario, gli studi condotti sui termosifoni bifase a funzionamento periodico risultano effettuati esclusivamente su apparati di notevoli dimensioni e con elevati valori delle potenze termiche smaltite.
Questo lavoro si pone dunque come obiettivo generale quello di verificare la reale attitudine dei termosifoni bifase a funzionamento periodico (indicati con l’acronimo PTPT) ad essere impiegati nel controllo termico di apparati di piccola scala.
Il lavoro si compone di due sezioni principali: una a carattere numerico ed una a carattere sperimentale.
Nella sezione numerica viene approfondita la conoscenza del comportamento del PTPT, attraverso la realizzazione di un modello di calcolo per l’interpretazione e la previsione delle sue prestazioni. Per realizzare tale modello è stata effettuata una ricerca bibliografica che ha permesso di esaminare e classificare le principali tecniche di modellizzazione dei dispositivi bifase operanti con pulsazioni stabilizzate del fluido vettore.
Il modello realizzato è stato validato attraverso il confronto con una serie di dati sperimentali disponibili presso il Dipartimento di Energetica Lorenzo Poggi. Successivamente è stata condotta un’indagine numerica volta a caratterizzare le prestazioni di un PTPT al variare dei principali parametri operativi, in particolare: potenza termica dissipata e temperature delle sorgenti di scambio.
Nella sezione sperimentale viene invece effettuata una caratterizzazione teorico-sperimentale di un prototipo di PTPT di piccola scala, progettato e realizzato durante la presente attività di ricerca.
La caratterizzazione delle prestazioni del prototipo è stata condotta al variare sistematico dei seguenti parametri operativi: flusso termico specifico dissipato, quota relativa tra le sorgenti di scambio termico, quantità di fluido vettore circolante. Inoltre è stato svolto un confronto di prestazioni tra il prototipo di PTPT ed alcuni dispositivi di controllo termico di impiego commerciale. Un ulteriore confronto prestazionale è stato condotto tra il PTPT ed altri due prototipi di termosifone bifase, uno a circolazione stazionaria ed uno a circolazione non stazionaria ottenuta con una differente tecnica rispetto al prototipo di PTPT oggetto della caratterizzazione.
Infine sono state evidenziate le principali differenze di funzionamento legate alla forte riduzione di scala, operata sul prototipo, rispetto ai PTPT di grandi dimensioni.
Al fine di fornire criteri riguardo all’ottimizzazione delle dimensioni e della forma dell’evaporatore di un PTPT sono state inoltre analizzate le condizioni di scambio termico all’interno dell’evaporatore del prototipo testato. Tali condizioni risultano variabili periodicamente nel tempo, di conseguenza è stata messa a punto una tecnica per la stima indiretta del coefficiente di scambio termico variabile nel tempo. Per fornire tale interpretazione si è resa necessaria: una serie di prove sperimentali, condotte con un apparato opportunamente realizzato per lo studio dell’ebollizione di massa in pozze liquide di piccolo volume, ed una serie di confronti con le prestazioni di scambio termico osservate da altri ricercatori per l’ebollizione di massa, in condizioni stazionarie, in condizioni transitorie ed in presenza di effetti di confinamento.