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Questo prototipo che raffredda i chip usando il calore
Un team congiunto del KIT e dell’Università di Tsukuba ha realizzato di recente un prototipo capace di sfruttare il calore per produrre raffreddamento senza ricorrere a un motore elettrico. Il dispositivo combina due sottilissimi film metallici e rappresenta una possibile applicazione del raffreddamento a stato solido al calore residuo generato da processori, server e altre apparecchiature elettroniche.
Il primo film, realizzato in titanio-nickel (TiNi) e spesso 22 micrometri, funziona come attuatore: quando viene riscaldato si contrae e trasforma l’energia termica in movimento meccanico. La contrazione tende un secondo film di titanio-nickel-ferro (TiNiFe), spesso 26,5 micrometri, che agisce da refrigerante. Quando il carico viene rilasciato, la transizione di fase delle leghe a memoria di forma permette al materiale di assorbire calore e raffreddarsi.
Durante le prove con riscaldamento Joule, l’attuatore ha raggiunto 86 °C e il film refrigerante ha mostrato un’escursione termica di 12,9 K tra gli stati più caldo e più freddo del ciclo. Considerando l’intero dispositivo, i ricercatori hanno misurato un gradiente stabile di 4,0 K dopo 20 cicli e una potenza frigorifera specifica di 4,43 W/g.
Il passaggio più significativo è arrivato sostituendo il riscaldamento resistivo con una sorgente esterna a 130 °C. In questa configurazione il prototipo ha mantenuto una differenza di 2,2 K tra lato caldo e lato freddo, con una potenza specifica di 3,32 W/g. Il test dimostra che il movimento necessario al ciclo può essere generato dal calore esterno, senza un attuatore elettromeccanico dedicato.
I sistemi frigoriferi convenzionali utilizzano generalmente compressori e fluidi refrigeranti, mentre i moduli termoelettrici creano una differenza di temperatura facendo circolare corrente in materiali semiconduttori. Questi ultimi sono compatti, ma raggiungono tipicamente soltanto il 10-15% del limite teorico dell’efficienza di Carnot inversa, circa un quarto delle prestazioni attribuite ai moderni impianti a compressione di vapore.
Nel confronto con i dissipatori tradizionali usati sulle CPU, la differenza non riguarda soltanto l’assenza di ventole. L’attuatore termico del prototipo offre un rapporto forza-spostamento di 14,5 N/mm, contro 1,1 N/mm dell’attuatore elettromeccanico commerciale usato come riferimento. Lo spessore ridotto dei film garantisce inoltre un rapporto elevato tra superficie e volume, favorevole allo scambio termico rapido.
La tecnologia rimane, per ora, un esperimento di laboratorio: durata dei materiali, frequenza dei cicli, integrazione con gli scambiatori e prestazioni su scala utile devono ancora essere dimostrate. Un’evoluzione industriale potrebbe però recuperare parte del calore espulso dai data center per alimentare direttamente il ciclo frigorifero, riducendo ingombro, complessità meccanica e consumi associati a compressori, pompe o motori.
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