Nuove soluzioni per la gestione termica: i risultati dei progetti MOOD4HEX e HPS2
Dall’ottimizzazione degli scambiatori di calore ai sistemi di raffreddamento per l’elettronica spaziale: due progetti valorizzano le competenze del ThermALab del Dipartimento di Energia
Il team di ricerca del gruppo Scambio termico e di massa e del ThermALab – Thermal Analysis Lab del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano ha concluso due progetti dedicati allo sviluppo di sistemi più efficienti per il trasferimento e la gestione del calore: PRIN 2022 MOOD4HEX – MOrphology Optimized Design for Heat EXchangers e HPS2 – Heat Pipe Solutions for High Power Systems.
Pur riferendosi ad applicazioni differenti, i due progetti affrontano una sfida comune: trasferire il calore in modo più efficace, riducendo ingombri, inefficienze e regioni a temperatura troppo elevata. MOOD4HEX si è concentrato sulla geometria interna degli scambiatori di calore; HPS2 ha sviluppato una soluzione per integrare il sistema di raffreddamento direttamente negli alloggiamenti che ospitano schede elettroniche per dispositivi destinati allo spazio.
Alle attività hanno contribuito Manfredo Guilizzoni, Alfonso Niro, Roberta Caruana, Maria Corti, Luigi Vitali, Damiano Fustinoni e Pasqualino Gramazio del Dipartimento di Energia.
MOOD4HEX: nuove geometrie per scambiatori di calore più efficienti
Concluso a febbraio 2026, MOOD4HEX è un progetto PRIN 2022 coordinato dall’Università di Parma, con la partecipazione del Politecnico di Milano, dell’Università di Padova e dell’Università del Salento. Il progetto è stato finanziato dall’Unione europea nell’ambito di NextGenerationEU.
Uno scambiatore di calore permette di trasferire energia termica tra fluidi a temperature differenti ed è presente in numerosi sistemi industriali ed energetici. Migliorarne le prestazioni non significa però soltanto aumentare lo scambio termico: occorre anche evitare che le geometrie che si scelgono ostacolino eccessivamente il passaggio dei fluidi, aumentando le perdite di carico e quindi l’energia necessaria per farli circolare.
Il team di ricerca del Politecnico di Milano ha studiato nuovi turbolatori tridimensionali, ossia elementi inseriti all’interno di canali rettangolari per modificare il moto dell’aria e favorire il trasferimento del calore. Le geometrie sono state generate attraverso ToffeeX, un software di ottimizzazione topologica capace di costruire forme complesse partendo dagli obiettivi termici e fluidodinamici da raggiungere.
Sono state analizzate configurazioni caratterizzate da differenti forme e percentuali di riempimento del canale. Le soluzioni ottenute sono state valutate attraverso simulazioni fluidodinamiche, mentre la geometria periodica più promettente è stata realizzata mediante stampa 3D e sottoposta a prove sperimentali. Il lavoro ha inoltre permesso di migliorare l’apparato di prova del ThermALab e di confrontare le nuove soluzioni con nervature convenzionali già utilizzate per intensificare lo scambio termico.
Il risultato non è quindi soltanto una nuova geometria, ma una procedura di progettazione riutilizzabile: dalla definizione degli obiettivi alla generazione delle forme, fino alla simulazione e alla verifica sperimentale. Questo approccio potrà essere applicato anche ad altri problemi industriali nei quali sia necessario trovare un equilibrio tra scambio termico, perdite di carico e ingombri.
«Con MOOD4HEX abbiamo sviluppato un metodo che consente di progettare le superfici di scambio a partire dalle prestazioni richieste, invece di limitarsi a confrontare geometrie definite in precedenza. L’integrazione tra ottimizzazione topologica, simulazioni e prove sperimentali apre la strada a soluzioni più mirate per le diverse applicazioni industriali».
I risultati hanno già dato origine a pubblicazioni scientifiche dedicate alla visualizzazione dei flussi, all’analisi termica e fluidodinamica dei canali rettangolari e all’ottimizzazione morfologica dei turbolatori. Il progetto complessivo ha affrontato anche altre configurazioni, tra cui inserti per scambiatori tubolari e superfici innovative per la condensazione.
HPS2: heat pipe integrate nei telai per l’elettronica spaziale
Il progetto HPS2 – Heat Pipe Solutions for High Power Systems, finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea nell’ambito del programma ARTES (Advanced Research in Telecommunications Systems), ha affrontato il problema della gestione termica dei sistemi elettronici ad alta potenza destinati alle applicazioni satellitari.
Il Dipartimento di Energia ha operato come Prime Contractor, coordinando un consorzio composto dal Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, Leonardo S.p.A., BEAMIT S.p.A. e Apogeo Space S.r.l.
Nei dispositivi elettronici, una temperatura troppo elevata può ridurre l’affidabilità dei componenti e limitare la potenza che può essere concentrata in uno spazio ridotto. Il problema è particolarmente rilevante nei satelliti, dove massa e volume sono vincoli determinanti e il calore non può essere disperso attraverso i moti convettivi dell’aria.
HPS2 ha portato alla realizzazione di un modello ingegneristico di un telaio per schede elettroniche prodotto in alluminio mediante manifattura additiva, con heat pipe integrati nei moduli e nelle pareti. Gli heat pipe sono dispositivi passivi nei quali un fluido assorbe calore evaporando e lo rilascia condensando in una zona più fredda. Il liquido viene poi riportato verso la zona calda da una struttura capillare interna, chiamata wick, senza richiedere pompe o altri organi meccanici.
Due elementi innovativi del progetto sono la progettazione di wick con struttura lattice, cioè reticoli tridimensionali complessi e non casuali, e la loro stampa 3D. Questa soluzione consente di integrare gli heat pipe direttamente nei componenti strutturali, riducendo il numero di parti da assemblare e le resistenze termiche nei punti di contatto.
Nell’ambito del progetto sono stati sviluppati e testati heat pipe in lega di alluminio AlSi10Mg, analizzandone il comportamento al variare della potenza termica e dell’inclinazione rispetto alla gravità. In varie condizioni, le strutture lattice progettate per l’applicazione hanno mostrato prestazioni migliori rispetto a wick porosi di tipo tradizionale. La progettazione ha considerato anche le sollecitazioni meccaniche e vibrazionali alle quali il modulo può essere sottoposto durante il lancio.
«HPS2 dimostra come la manifattura additiva possa trasformare l’alloggiamento di un’apparecchiatura elettronica in una parte attiva del sistema di gestione termica. Integrare gli heat pipe nella struttura permette di ottimizzare il trasferimento tra le sorgenti termiche e i dispositivi di raffreddamento, riducendo passaggi e interfacce che limitano l’efficienza».
Il modello sviluppato costituisce un passo verso sistemi elettronici spaziali più compatti e capaci di gestire potenze più elevate, mantenendo sotto controllo le temperature dei componenti.
Dal laboratorio alle applicazioni industriali
MOOD4HEX e HPS2 valorizzano competenze complementari del gruppo Scambio termico e di massa: progettazione e simulazione di geometrie per lo scambio termico, manifattura additiva, studio dei fenomeni capillari e verifica sperimentale dei componenti.
Nel laboratorio ThermALab è possibile svolgere attività di caratterizzazione di heat pipe e di scambiatori a piastre con oli e miscele di refrigeranti, oltre a studiare superfici destinate allo scambio termico convettivo con aria. Le competenze maturate nella ricerca sono trasferite anche attraverso il corso di Formazione Continua sugli scambiatori di calore, organizzato dal Dipartimento di Energia e rivolto a professionisti e imprese.
Corso di Alta Formazione Scambiatori di Calore: Teoria, Progettazione e Simulazione Avanzata
Date: 9, 10, 23, 24 marzo 2027 per un totale di 24 ore di formazione
Modalità di erogazione: ibrida (in presenza presso il Dipartimento di Energia e online).
A chi è rivolto? Ingegneri, progettisti e tecnici che vogliono rafforzare le proprie competenze nel dimensionamento, nell’analisi e nell’ottimizzazione termo-fluidodinamica degli scambiatori di calore.
Iscrizioni: fino al 26 febbraio 2027 https://www.polimi.it/formazione/formazione-oltre-la-laurea/master-universitari-e-corsi-post-laurea/dettaglio-master/572
Sito del corso: https://www.corsoscambiatori.energia.polimi.it/
