Nelle moderne tecnologie di gestione termica, le piastre di raffreddamento a liquido svolgono un ruolo fondamentale per la dissipazione del calore in dispositivi elettronici, macchinari industriali e altri settori, grazie alla loro elevata efficienza nella conduzione del calore. Il loro principio di funzionamento si basa sulla circolazione del fluido refrigerante all'interno dei canali, che trasporta il calore attraverso lo scambio termico, riducendo la temperatura dei componenti interessati. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, i canali delle piastre di raffreddamento a liquido sono soggetti a gravi problemi di corrosione, che non solo compromettono l'efficienza di dissipazione del calore, ma possono anche portare al guasto dell'intero sistema di circolazione del raffreddamento. Pertanto, una ricerca approfondita su questo tema è di fondamentale importanza pratica.
La corrosione dei canali delle piastre di raffreddamento a liquido deriva principalmente dalla selezione del fluido di raffreddamento e dagli ossidi e dai batteri che si generano a contatto con l'aria. Questi fattori erodono i materiali dei canali, rendendone ruvide le pareti interne, aumentando la resistenza al flusso del fluido e riducendone l'efficienza di circolazione. Inoltre, i prodotti della corrosione si accumulano costantemente, ostruendo i canali e causando un netto calo delle prestazioni di dissipazione del calore. A causa della mancanza di manutenzione regolare da parte della maggior parte degli utenti, le prestazioni delle piastre di raffreddamento a liquido si deteriorano nel tempo, causando infine danni ai componenti dovuti al surriscaldamento. Dal punto di vista dei materiali, i canali delle piastre di raffreddamento a liquido realizzati con materiali diversi presentano caratteristiche distinte in termini di resistenza alla corrosione e scenari applicativi:
1. Canali in alluminio
L'alluminio è ampiamente utilizzato nella produzione di piastre di raffreddamento a liquido, con tipologie comuni tra cui le leghe di alluminio delle serie 6063 e 1100. I metodi di fabbricazione dei canali sono diversi, come la fresatura delle strutture dei canali direttamente sulle piastre di alluminio tramite lavorazione CNC, la pressatura di tubi di alluminio rotondi in piastre di alluminio per formare i canali o l'utilizzo di processi di pressofusione. Sebbene l'alluminio offra vantaggi come bassa densità ed economicità, la sua natura chimicamente attiva rende la superficie della piastra di alluminio altamente incline a reagire con l'ossigeno a contatto con l'aria e il fluido di raffreddamento, generando batteri e formando ossidi come il triossido di alluminio. Questi ossidi si presentano spesso come sostanze bianche flocculanti che si accumulano gradualmente nel tempo, bloccando infine l'intero sistema di circolazione del raffreddamento e compromettendo gravemente l'efficienza di dissipazione del calore delle piastre di raffreddamento a liquido.
2. Canali in rame
Piastre di raffreddamento a liquido a base di rame In genere, si utilizzano materiali in lega di rame come C102 o C1100. La fabbricazione dei canali si basa spesso su lavorazioni meccaniche di precisione CNC, oppure è possibile utilizzare direttamente tubi di rame standard per costruire le strutture dei canali. Rispetto all'alluminio, il rame ha un'eccellente resistenza all'ossidazione ed è altamente resistente alla corrosione nei fluidi di raffreddamento, mantenendo prestazioni stabili a lungo termine. Tuttavia, a contatto con l'aria, l'ossigeno può generare prodotti di corrosione come il cloruro di rame. Sebbene il processo di corrosione del rame sia relativamente lento, i suoi prodotti di corrosione si accumulano comunque nel tempo, causando infine ostruzioni dei canali, sebbene la sua durata sia maggiore rispetto a quella dei canali in alluminio.
3. Canali in tubo di acciaio inossidabile
L'acciaio inossidabile 304 è un materiale comunemente utilizzato per la produzione di canali per piastre di raffreddamento a liquido. Presenta proprietà chimiche stabili e un'elevata resistenza all'ossidazione quando esposto all'aria, rendendolo la scelta ideale per i materiali dei canali. Inoltre, i tubi in acciaio inossidabile in lega di titanio offrono una maggiore resistenza alla corrosione e sono ampiamente utilizzati nei sistemi di raffreddamento a circolazione in applicazioni industriali grazie alla loro eccezionale resistenza alla corrosione, in grado di adattarsi ad ambienti più complessi e difficili.
4. Vantaggi e svantaggi dei materiali a tre canali
• Canali in alluminio:
◦ Vantaggi: eccellente conduttività termica, basso costo e leggerezza, per soddisfare diverse esigenze applicative e requisiti di commercializzazione. La bassa densità contribuisce a controllare efficacemente il peso complessivo dell'apparecchiatura, facilitando l'installazione e il trasporto.
◦ Svantaggi: chimicamente attivi, soggetti a ossidazione e corrosione, con conseguente formazione di ossidi che ostruiscono i canali e riducono la durata utile delle piastre di raffreddamento a liquido. Sono richiesti frequenti interventi di manutenzione, con conseguente aumento dei costi operativi e della complessità di gestione.
• Canali in rame:
◦ Vantaggi: resistenza all'ossidazione e robustezza superiori, che garantiscono un'eccellente stabilità negli ambienti con fluidi di raffreddamento e mantengono prestazioni di dissipazione del calore costanti per periodi prolungati.
◦ Svantaggi: una maggiore densità aumenta il peso delle apparecchiature e il costo relativamente elevato del rame aumenta i costi di produzione. I prodotti di corrosione si formano comunque a contatto con l'aria, con il rischio di ostruzione dei canali a lungo termine.
• Canali in acciaio inossidabile:
◦ Vantaggi: eccezionale stabilità chimica e resistenza alla corrosione (in particolare per tubi in acciaio inossidabile 304 e in lega di titanio), adatti ad ambienti complessi e difficili, con lunga durata utile e bassa frequenza di manutenzione.
◦ Svantaggi: conduttività termica relativamente scarsa rispetto all'alluminio e al rame, che potrebbe compromettere l'efficienza di dissipazione del calore; maggiore difficoltà di lavorazione e maggiori costi di produzione.
5. Strategie di selezione dei materiali e ottimizzazione del fluido di raffreddamento
La selezione dei materiali dei canali delle piastre di raffreddamento a liquido deve essere strettamente allineata ai requisiti dell'applicazione pratica.
In ambienti altamente corrosivi come quelli marini o ad alta concentrazione di sale, è consigliabile utilizzare leghe di titanio o acciaio inossidabile 304 per la loro eccellente resistenza alla corrosione. Questo garantisce un funzionamento stabile e duraturo delle apparecchiature. Per le applicazioni alimentari, l'acciaio inossidabile 304 per uso alimentare è essenziale per prevenire la migrazione di sostanze nocive e garantire la sicurezza alimentare.
Oltre alla selezione dei materiali, l'ottimizzazione dei fluidi di raffreddamento è fondamentale per ridurre la corrosione dei canali. I fluidi di raffreddamento si dividono principalmente in due categorie: acqua pura e refrigeranti formulati.
• Acqua pura: è possibile utilizzare acqua ultrapura priva di impurità e ossigeno, oppure l'intero sistema di circolazione può essere sigillato in modo modulare per ridurre al minimo il contatto con l'aria, diminuendo i rischi di ossidazione e proliferazione microbica. È inoltre possibile aggiungere antigelo per prevenire il congelamento in ambienti a bassa temperatura e mantenere la stabilità del sistema.
• Liquidi refrigeranti formulati: Questi vengono preparati miscelando acqua pura, sostanze chimiche formulate e antigelo. Le formulazioni chimiche in genere includono inibitori, biocidi e agenti riducenti:
Gli inibitori formano pellicole protettive sulle superfici dei canali per rallentare la corrosione.
I biocidi eliminano i microrganismi presenti nel fluido, prevenendo la corrosione biologica.
Gli agenti riducenti regolano il potenziale redox del fluido per inibire le reazioni di ossidazione.
Questi componenti lavorano in sinergia per ridurre significativamente i rischi di corrosione dei canali e migliorare l'affidabilità e la durata delle piastre di raffreddamento a liquido.
6. Confronto tra acqua pura e refrigeranti formulati
• Refrigerante ad acqua pura:
Non richiede competenze specializzate, è economico e non richiede monitoraggio in tempo reale.
Elevata compatibilità con canali in rame e alluminio.
Tecnicamente trasparente e ampiamente applicabile. La manutenzione prevede test mensili di conduttività per valutare i livelli di corrosione: una conduttività più elevata indica un aumento delle impurità ioniche derivanti dalla corrosione, che richiede una tempestiva sostituzione o pulizia.
• Refrigeranti formulati:
Richiede consulenza tecnica professionale da parte dei fornitori, costi più elevati e rifornimento regolare di prodotti chimici.
Le formulazioni devono essere adattate specificamente al rame e all'alluminio, dato il loro diverso comportamento in termini di corrosione.
Le composizioni chimiche di base sono segreti commerciali e i dettagli tecnici non sono di pubblico dominio.
Comunemente utilizzato nei server e nei data center di grandi dimensioni che richiedono stabilità nella dissipazione del calore.
7. Strategie di pulizia e manutenzione per i prodotti di corrosione nelle piastre di raffreddamento a liquido
La pulizia e la manutenzione scientifica sono essenziali per garantire il funzionamento stabile delle piastre di raffreddamento a liquido:
• Manutenzione ordinaria: utilizzare un sistema di pulizia ad alta pressione per rimuovere polvere e detriti dai canali e ispezionare e lubrificare regolarmente i componenti. Quando il motore è inattivo, scaricare completamente i fluidi interni per prevenire la corrosione residua.
• Rimozione di prodotti corrosi dai metalli:
◦ Pulizia acida: far circolare fluidi acidi per sciogliere gli ossidi metallici, monitorando i valori di pH. Dopo la dissoluzione, drenare, neutralizzare e risciacquare con acqua pura fino a quando i valori di pH in ingresso/uscita non siano uniformi, assicurandosi che non vi siano residui.
• Rimozione di contaminanti microbici e organici:
◦ Pulizia alcalina: far circolare fluidi alcalini per uccidere i microrganismi e decomporre la materia organica, monitorando il pH per valutarne l'efficacia. Scolare, neutralizzare e risciacquare con acqua pura fino al raggiungimento del pH corretto.
Queste procedure garantiscono la completa rimozione dei prodotti della corrosione e dei contaminanti, mantenendo elevata l'efficienza e il funzionamento stabile delle piastre di raffreddamento a liquido.