Analisi dell'efficienza dei sistemi di raffreddamento ad aria per case

Chiunque abbia avuto a che fare con un PC in tempi più o meno recenti ha di conseguenza dovuto confrontarsi con il suo sistema di dissipazione, o meglio con tutto l'insieme degli elementi che favoriscono quei processi miranti ad abbattere le temperature di esercizio della macchina, siano essi ventole, radiatori, convogliatori, o qualunque altro genere più o meno estremo.

Proprio per questo abbiamo deciso di scendere nel dettaglio del sistema di dissipazione ad aria di un computer desktop e, nello specifico, nello studio dei flussi d'aria generati dalle ventole che possono essere sistemate all'interno del case in diverse posizioni, e da qui vedere come variano le prestazioni dei radiatori, in che modo possono essere favorite ed in che modo peggiorate.

Per farlo non attueremo solamente una serie di prove empiriche, ma tenteremo di utilizzare anche un approccio scientifico, se non del tutto ingegneristico; tenteremo cioè di utilizzare una parte delle nozioni di termodinamica e di fluidodinamica che, seppur presentate con nomi altisonanti, vi assicuriamo che faremo del nostro meglio per descrivere i fenomeni che ci appresteremo a discutere in maniera chiara. Questo ci permetterà di svolgere, o quantomeno tentare di farlo, un'analisi motivata da qualche cosa di più di un semplice: "Ho guadagnato x °C, dunque così è meglio di prima", e qualora accada qualche cosa che non ci aspettiamo di tentare nuovamente di spiegare il motivo attraverso l'analisi scientifica del fenomeno.

Come avrete sicuramente notato, non si è mai parlato di dare una spiegazione esatta del fenomeno, ma di provare a giustificarlo. E' corretto fare questa precisazione, perché assolutamente non abbiamo le capacità di ergerci a maestri della fluidodinamica e, come se non bastasse, perché il nostro modello teorico (vedremo meglio cos'è e che caratteristiche gli attribuiamo), si discosterà parecchio dal nostro sistema reale di prova, a causa delle irregolarità delle superfici, dell'incostanza di un flusso di massa in moto permanente, del fatto che l'equazione di continuità non è un modello appartenente al mondo reale e di altre situazioni che non sono facilmente riportabili. Diamo dunque qualche cenno teorico su quanto stiamo per affrontare.

Convezione Naturale
Se si pensa ad un case con dissipazione passiva non è possibile ipotizzare che l'aria sia stagnante. Essa sarà messa in movimento da quella che viene definita convezione naturale: l'aria presente nell'ambiente si riscalderà a causa di una fonte di calore (dissipatore della CPU, della GPU, mosfet) e si dilaterà. Dilatandosi subirà una diminuzione di densità specifica, e per la spinta di Archimede (la stessa del corpo immerso in un fluido, visto che l'aria può essere considerata, in quanto a comportamento, alla stregua di un fluido) riceverà una spinta dal basso, e quindi "galleggerà" più facilmente di prima andando verso l'alto.

Temperatura e Calore
Magari si tratta di concetti elementari, ma spesso non sono chiarissimi e vengono confusi l'un l'altro, probabilmente perché entrambi sono inerenti al moto di agitazione termica degli atomi della materia. Mentre la temperatura rappresenta la misura del grado di agitazione delle particelle che compongono un determinato corpo (solido, liquido o gassoso), il calore è l'energia che si trasferisce da un corpo a temperatura maggiore verso uno a temperatura minore. E' questo dunque il vero problema da gestire con i sistemi di dissipazione per evitare che un aumento dell'energia interna degli elettroni in moto nel chip elettronico possa provocare danni. Se gli elettroni superano un certo valore di energia essi andranno "fuori controllo" rispetto al comportamento che ci si aspetta, ed il chip stesso inizierà a rispondere in maniera imprevedibile agli stimoli imposti generando errori nei calcoli o completi blocchi.

Il nostro obbiettivo non sarà perciò quello di abbassare le temperature, bensì quello di rimuovere il calore: CPU e chip grafici soffrono per livelli energetici elevati, non per temperature di funzionamento elevate. Questo non significa che le due grandezze non siano legate: in ambienti ad elevati calori specifici, temperature elevate indicano proprio un elevato calore, ma tutto ciò diventa solo un discorso di conseguenze, non di primaria importanza. Detto con un esempio semplice ma significativo, quando mangiamo un cibo cucinato la nostra lingua si brucia perché questo ha tanto calore, non perché ha una temperatura elevata. Ed è proprio il rapido trasferimento di calore a farci scottare!

Per spostare energia a livello termodinamico, e quindi calore, abbiamo bisogno di differenze di temperatura elevate. Maggiore è la differenza tra la fonte calda e quella fredda, maggiore sarà il flusso termico che si ottiene.

Conduzione e Convezione, fenomeni di Trasmissione del calore
Il calore, che abbiamo detto essere una forma di energia, non può essere distrutto, ma può essere dissipato. La dissipazione del calore altro non è che uno spostamento dello stesso da un'altra parte, dove non crea problemi (ad esempio nell'aria circostante il nostro sistema). Il calore si trasferisce attraverso due processi termodinamici, la conduzione e la convezione (esiste anche l'irraggiamento, ma è inutile trattarlo nel nostro caso).

La conduzione avviene all'interno di un corpo solido a causa dell'agitazione delle particelle cariche di energia, che vibrando mettono in agitazione quelle vicine, fino a quando la quantità di energia sotto forma di calore che era concentrata in un punto non si disperde in maniera uniforme su tutto il corpo. E' un fenomeno che rileviamo direttamente sul chip e sulla base del dissipatore.

La convezione invece è un fenomeno che avviene tra un corpo solido ed uno fluido. Il fluido tocca il corpo solido e genera un parziale trasferimento di calore per conduzione, il resto avviene per il moto delle particelle del fluido, che non essendo unite tra di loro si muovono in maniera incontrollata; questa può essere descritta solo in alcuni casi (casi di moto laminare), cioè quando il fluido si muove a basse velocità. E' il caso dell'aria in moto contro il dissipatore, o meglio contro le sue alette, e del fluido che scorre dentro le heatpipe.

In entrambe le situazioni il flusso di calore spostato è direttamente proporzionale all'area della superficie radiante (guarda caso le alette di raffreddamento hanno una superficie molto ampia), inversamente proporzionale allo spessore (e anche qui le alette di raffreddamento sono un tipico esempio essendo molto sottili) ed alla differenza di temperatura tra la fonte calda e quella fredda. Infine è direttamente proporzionale alla costante di scambio termico conduttivo (nel caso di conduzione) o convettivo (nel caso di convezione), che è un valore che dipende in maniera intrinseca dai materiali di cui è composto il dissipatore (rame, alluminio, oro) e dal fluido che usiamo per raffreddare (aria, acqua, azoto, anidride carbonica).

Volume di aria
La quantità di calore che può essere assorbita da un certo volume di aria è una grandezza precisa, e dipende dal calore specifico della stessa. Per aumentare la quantità di calore che possiamo spostare non ci resta che aumentare la quantità di aria che utilizziamo per la dissipazione tramite, ad esempio, una ventola più performante.

Purtroppo, però, non dobbiamo credere che montare tante ventole contro un dissipatore sia la soluzione adeguata. Pur essendo gassosa, l'aria è un mezzo materiale, e se ne mettiamo troppa essa stessa farà da "tappo" diventando controproducente per i nostri scopi. In aggiunta dobbiamo tener conto che tutta l'aria che non viene assorbita dalla scheda, rimane "nei paraggi" e si riscalda ugualmente e, quando sarà assorbita dalla scheda, sarà già "calda" (ricordate che necessitiamo di una elevata differenza di temperatura?) rispetto a quella che arriva fresca fuori dal di fuori.

Flusso d'aria e punti di ristagno
Abbiamo chiarito che per spostare tanto calore ci serve tanta aria in movimento ed è utile che essa non venga ostacolata. Purtroppo non è così semplice generare un flusso di aria che non abbia dei punti di ristagno. L'aria tende a ristagnare anche quando è in moto all'interno di un tubo liscio: non lo fa solo se si raggiungono determinate velocità ed in condizioni di idealità. Immaginate invece all'interno di un case quanti ostacoli ed imperfezioni l'aria in movimento possa incontrare, e quanto contrasto essi possano offrire al suo avanzamento. E' perciò molto importante non creare intralci frutto di posizionamenti errati di ventole, convogliatori, matasse di cavi e via discorrendo.

Dopo questa premessa teorica, i nostri esperimenti vogliono tentare di giustificare il posizionamento delle componenti di dissipazione all'interno del case.