Teoria sulla diffusione del calore

Con il presente articolo, cercheremo di fare una piccola introduzione per quanto riguarda uno degli argomenti più interessanti nel mondo del raffreddamento a liquido e le relative tecnologie degli scambiatori di calore. Questo tipo di scambiatore viene denominato molto spesso come "waterblock" e costituisce il cuore del sistema di raffreddamento a liquido, dato che si tratta di un elemento indispensabile, e quindi senza di esso il sistema non potrà funzionare.

Sarà comunque necessario dare alcune definizioni, strettamente arbitrarie, dato che altrimenti non sarà possibile definire degli argomenti molto specifici che finora non sono ancora stati trattati. E' inoltre probabile che alcune delle nostre affermazioni, vi potranno sembrare molto strane ma, vi assicuriamo che dopo tutti questi anni di lavoro e di sperimentazione mirata, si tratta di fenomeni semplicemente realistici.

Come ultima nota, ci teniamo a sottolineare che le immagini pubblicate sono state elaborate da noi, ed hanno come scopo, di semplificare le spiegazioni. Le immagini sono state ottenute con simulazioni bidimensionali ed è comunque necessario aggiungere che si tratta di elaborazioni effettuate sotto determinate condizioni e intervalli di tempo. Si precisa inoltre che il comportamento dei metalli non è omogeneo al 100% e quindi ci sarebbe da aggiungere una percentuale di errore relativamente piccola dell'x %.

Prima di procedere quindi alla lettura del presente articolo, sarà necessario percepire molto bene che si sta esaminando un determinato tipo di simulazione, dove è indispensabile capire che perlomeno bisogna che venga considerato un minimo range di errore relativo ad ogni singolo passaggio. L'ultimo appunto va fatto per quanto riguarda le limitazioni grafiche che non ci hanno permesso di poter elaborare al meglio le immagini e di conseguenza renderle più leggibili.

 

Parte prima

Cominciamo dunque con la prima immagine, dove si vede una rappresentazione grafica di quattro diversi corpi di metallo solido, che ha come scopo quello di simulare il comportamento degli analoghi blocchetti di rame. Questa rappresentazione costituisce la spiegazione basilare per quanto riguarda la diffusione del calore all'interno di un corpo solido. Le dimensioni esterne sono quelle standard, ovvero 50 x 50mm, e l'altezza varia da 10 a 25mm con passi da 5mm. Le frecce rosse rappresentano in che modo si espanderà il calore all'interno del corpo solido di ogni blocchetto e, per convenzione, partono sempre dal punto centrale della base, in modo tale da mostrare il percorso bidimensionale con il quale il calore si diffonderà in esso. Le curve blu, rappresentano la cosiddetta "curva del calore" che ovviamente è stata ottenuta con una simulazione. E' chiaro che le dimensioni di questa curva cambieranno e varieranno a seconda delle dimensioni di ogni singolo blocchetto di materiale solido, ma comunque, la cosa importante è che ci forniranno sempre i seguenti dati che sono tra i più significativi:

Se visti in sezione trasversale

• le dimensioni dell'arco della circonferenza
• l'area del semi-cerchio

Se visti in pianta

• le dimensioni della circonferenza
• l'area del cerchio

Concludendo, è facile comprendere che il rapporto di questi dati che abbiamo ottenuto con simulazione ci indicano che il blocchetto ideale ha dimensioni pari a 50 x 50 x 25mm. L'unico problema però che si pone in questo caso, è l'elevato peso che ci costringe di orientarci verso un blocchetto di dimensioni minori, ma questa cosa verrà affrontata in un capitolo successivo.

 

La seconda immagine è l'estensione della prima e mostra il blocchetto ideale (50 x 50 x 25mm) in sezione, in pianta, e ruotato a 45°. La rotazione a 45° è importantissima perchè, dopo la prima espansione del calore, ci permette di approfondire lo studio di questo fenomeno e quindi saremo in grado di approfondire lo studio della seconda espansione del calore, dato che nel caso precedente non sarebbe stato possibile. Quello che a noi più interessa in questo specifico caso, è che l'estrazione del calore dalla formazione della seconda curva, non vada a penalizzare la prima ma a favorirla. I dati che ci fornisce l'analisi della seconda espansione del calore, sono abbastanza importanti, dato che ci aiutano a capire in che modo potrà essere sfruttata la percentuale della massa rimanente del blocchetto. Infine la seconda espansione viene rappresentata nella figura a destra e dalle frecce semi-tratteggiate che si trovano posizionate fuori dall'area del "cerchio iscritto" se visto in pianta, e dall'arco tratteggiato se visto in sezione trasversale.

 

Un'altra cosa fondamentale, nel campo degli scambiatori di calore, è di percepire il rapporto reale in watt/mm². Questo perchè, nella maggioranza dei casi, le dimensioni dei core delle CPU influenzano il comportamento termodinamico dello scambiatore stesso. Nell'immagine sottostante, vengono rappresentate due diverse CPU aventi core di dimensioni quadrate rispettivamente di 10 e 20mm. Le dimensioni del blocchetto sono pari a 50 x 50 x 25mm e quindi stiamo esaminando/simulando il comportamento del waterblock ideale. In questo caso le curve di colore blu, rappresentano le distanze stimate, che il calore dovrà attraversare, per poter avere una diffusione abbastanza sufficiente. Nel primo caso (CPU 10mm), si vede chiaramente che la distanza media che dovrà percorrere il calore, è maggiore rispetto la distanza che dovrà percorrere nel secondo caso (CPU 20mm). La distanza media viene rappresentata dalla curva di colore blu all'interno dello scambiatore. La seconda curva invece (semi-tratteggiata) rappresenta la fase della successiva espansione.

La conclusione di questo fenomeno è molto semplice ed è la seguente: maggiori saranno le dimensioni del core della CPU, minore sarà la densità assoluta di wattaggio e quindi il rapporto watt/mm². Di conseguenza, il raffreddamento della CPU risulterà molto più facile nel secondo caso.

 

Le seguenti immagini sono l'estensione delle figure precedenti e mostrano, ancor meglio, i fenomeni analizzati finora. Simulazione ideale senza CPU e simulazione con CPU da 10 x 10mm.

 

Simulazioni con CPU da 10 x 10mm e 20 x 20mm.

 

Si sottolinea che finora non ci siamo mai preoccupati di analizzare quale sarebbe stata l'influenza dell'acqua all'interno di questi blocchetti. Questo perchè la nostra preoccupazione è sempre stata quella di farvi capire l'importanza della diffusione del calore all'interno dei corpi solidi denominati come "waterblock". E' probabile anche che avrete sentito innumerevoli volte che l'influenza del cosiddetto "effetto buffer" migliora le prestazioni del vostro waterblock, ma noi vorremo chiedervi se sareste sicuri di aver percepito bene che cosa sia questo "buffer".

Per convenzione, a partire dal 2001, è stato scelto sul Web Italiano di chiamare "buffer" una determinata parte della massa del blocchetto che aiuta il passaggio del calore dalla base verso tutte le dimensioni tridimensionali del blocchetto stesso. Di conseguenza, se ben progettato e distribuito, questo buffer favorisce l'espansione del calore all'interno della massa del waterblock.

 

Parte seconda

Nella seconda parte di questo capitolo considereremo anche l'influenza dell'acqua. Siccome però siamo più che sicuri che secondo la logica comune, e quindi anche la vostra, starete considerando l'acqua come "qualcosa che raffredda", noi proveremo a proporvi di considerarla temporaneamente come "qualcosa che isola". Dunque vi chiediamo che iniziaste a considerare l'acqua, e/o la sostanza liquida circolante, come un vero e proprio isolante che non permette un'ulteriore espansione del calore, in quanto a noi non interessa ancora in che modo il calore verrà eliminato dal blocchetto ma, per il momento, vorremmo fermarci a dimostrare che c'è "qualcosa" che ostacola il passaggio del calore e quindi non favorirà successivamente l'espansione bidimensionale e/o tridimensionale di quest'ultimo.

In parole povere vi stiamo solo chiedendo di considerare l'acqua come un vero e proprio isolante, e questo solo per farvi capire meglio quanto sia importante il passaggio del calore dalla base al coperchio del waterblock.

La seguente immagine mostra in che modo avviene la diffusione ed il passaggio del calore in cinque diversi waterblock basati sulla classica canalina a quattro passaggi a "M" o "W". Si precisa che l'effetto buffer si nota di più nelle ultime due figure dove il passaggio del calore dalla base al coperchio è maggiore. Come potete vedere l'acqua non permette al calore di espandersi e quindi, indipendentemente se c'è o meno smaltimento del calore, funge da materiale "isolante".

 

La seguente immagine mostra in che modo avviene la diffusione del calore in tre diversi waterblock basati sulla canalina: a "G" con entrata centrale, la classica a quattro passaggi a forma di "M" o "W" ed infine sulla serie MonoBlock "WBNKBx". Nel primo caso è lampante che non c'è nessun passaggio di calore dalla base al coperchio e questo perchè il posizionamento della canalizzazione non lo permette. Infatti si tratta forse dell''esempio più lampante del perchè l'acqua funge da "materiale isolante".

Si precisa inoltre che l'effetto buffer presente sui due waterblock rimanenti, dimostra in che modo il MonoBlock sia molto più efficace nell'espansione del calore, ed in particolare al passaggio diretto del calore dalla base verso la parte alta, essendo formato da un blocco unico e non da una base ed un coperchio.

Come ultima cosa ci teniamo a sottolineare che abbiamo voluto farvi vedere il Top del segmento dei waterblock con canalizzazione a quattro canaline, dato che nessuno dei nostri concorrenti l'ha mai commercializzato finora (almeno che noi sappiamo). Quindi è chiaro che i waterblock commercializzati finora, con quel determinato tipo di canalizzazione, sono meno ottimizzati rispetto a quello che vi proponiamo nell'immagine sottostante.

 

Immagine dove si vedono i tre waterblock di prima, ma questa volta facendo una simulazione diversa, considerando anche una CPU di dimensioni 10 x 10mm.

 

Infine vi proponiamo per la prima volta in che modo avviene la diffusione del calore all'interno della massa del MonoBlock WBNKB5. Si precisa che lo scopo del triangolo che si forma, è di rappresentare la diffusione bidimensionale del calore man mano che ci si allontana dal punto di contatto fra la CPU e la base del Block.

Si precisa inoltre che l'immagine pubblicata è solo una simulazione indicativa ed è finalizzata esclusivamente ad una generale comprensione per quanto riguarda la diffusione del calore. In nessun caso potrà essere considerata come rappresentativa del prodotto e della relativa tecnologia, essendo molto più complicata di quello che potrebbe inizialmente sembrare.

 

Considerazioni e conclusione

Siamo sicuri che se siete arrivati fin qui, al 99% vi starete chiedendo cosa abbiamo pubblicato. Noi comprendiamo benissimo le vostre eventuali perplessità, riguardo alcune nostre affermazioni, ma vi assicuriamo che si basano sulla logica comune. Infatti non è una novità che l'acqua non permette il passaggio del calore. Il solo compito dell'acqua è di raffreddare, nulla di più nulla di meno.

Siamo anche sicuri che vi starete chiedendo dove si basa questa nostra teoria. E' molto semplice signori, si basa sulla logica comune che ci ha insegnato che per poter raffreddare una CPU al massimo possibile, bisogna poter togliere (dissipare) il più calore possibile in una determinata unità di tempo (intervallo infinitesimo).

Questa cosa non è solo direttamente collegata con il cosiddetto effetto "buffer", ma anche con la geometria bidimensionale e tridimensionale di ogni waterblock.

In parole povere: la geometria ed il posizionamento della canalizzazione determina l'effetto buffer e di conseguenza il comportamento termodinamico dello scambiatore.