Dispositivo di raffreddamento a liquido per tablet
Consulenza ingegneristica, Sviluppo Prodotto
Dispositivo di raffreddamento a liquido per tablet
Progettazione meccanica di un nuovo prodotto di raffreddamento, commissionato da una startup tech, per evitare il surriscaldamento di dispositivi mobili mantenendo al tempo stesso un design elegante.
Introduzione
Lo sviluppo di un dispositivo di raffreddamento portatile per tablet nasce dall’esigenza di risolvere un problema concreto: mantenere sotto controllo la temperatura di un dispositivo mobile elettronico durante sessioni di utilizzo prolungate e sotto alimentazione, senza comprometterne ergonomia, estetica, portabilità e praticità d’uso.
Il progetto ha riguardato lo sviluppo del concept di un sistema di raffreddamento compatto, inizialmente concepito come dispositivo portatile e successivamente ingegnerizzato attraverso un percorso completo che ha coinvolto la definizione dei requisiti tecnici a partire dalle richieste funzionali del cliente, passando per lo studio di fattibilità, la progettazione meccanica CAD 3D, l’analisi termofluidodinamica, la scelta delle tecnologie e dei componenti, la prototipazione e l’assemblaggio elettromeccanico del prototipo.
Particolare attenzione è stata dedicata alla possibilità di integrare il sistema di raffreddamento direttamente in una cover progettata ad hoc, trasformando il tablet e il sistema di dissipazione in un unico assieme funzionale, elegante e non sovraccaricato. Il progetto è stato sviluppato per una startup tech in provincia di Belluno ed è attualmente nella fase di completamento della valutazione commerciale, in vista della costituzione della società e della produzione dei primi lotti.
Contesto
Il progetto nasce dalla richiesta di un cliente privato della provincia di Belluno, web developer full stack, che utilizza quotidianamente il tablet sia per attività professionali sia per svago. L’utilizzo prolungato del dispositivo, in particolare quando il tablet è collegato alla rete elettrica e viene sottoposto a carichi di lavoro elevati per diverse ore consecutive, evidenziava un progressivo aumento della temperatura superficiale del retro del dispositivo, obbligando a pause di 30 minuti ogni 2 ore di esercizio.
Il fenomeno non rappresentava solamente un problema di comfort durante l’utilizzo. L’aumento della temperatura può infatti influire sulle condizioni operative dell’elettronica e, in determinate situazioni, contribuire alla riduzione delle prestazioni del dispositivo attraverso i meccanismi di protezione termica implementati dai sistemi elettronici moderni. Prima di avviare il progetto sono state considerate alcune delle soluzioni commerciali disponibili, principalmente basate su ventole e sistemi di raffreddamento esterni. Queste soluzioni, tuttavia, non risultavano completamente soddisfacenti per l’applicazione specifica.
Da un lato, la capacità di raffreddamento non era sufficiente a mantenere la temperatura del dispositivo entro il range desiderato durante utilizzi prolungati. Dall’altro, la presenza di un accessorio esterno rendeva il sistema poco pratico nell’utilizzo quotidiano. Da qui è nata l’idea di sviluppare un sistema di raffreddamento più potente, compatto e soprattutto integrato direttamente nella cover del tablet.
L’obiettivo non era quindi semplicemente realizzare un “ventilatore per tablet”, ma progettare un sistema completo in cui sorgente frigorifera, circuito di raffreddamento, elettronica di controllo e interfaccia con il dispositivo fossero sviluppati come un’unica soluzione.
Problema
Il principale requisito funzionale del progetto era il controllo della temperatura del dispositivo durante l’utilizzo prolungato.
Il surriscaldamento del tablet era particolarmente evidente durante il funzionamento connesso alla rete elettrica e sotto carico. L’aumento della temperatura superficiale poteva essere associato a una progressiva riduzione delle prestazioni e rendeva inoltre meno confortevole l’utilizzo del dispositivo.
La semplice ventilazione dell’aria non rappresentava la soluzione ideale per l’applicazione. Per ottenere un significativo trasferimento di calore sarebbe stato necessario aumentare la portata d’aria e quindi dimensionare adeguatamente ventole, dissipatori e superfici di scambio, con conseguenti problematiche di ingombro, rumorosità e integrazione.
È stata quindi valutata una soluzione a liquido, in grado di trasferire il calore dalla superficie del tablet verso un’unità frigorifera separata.
Il progetto ha richiesto un’attenta valutazione della potenza termica da asportare, della portata del fluido, delle perdite di carico del circuito e delle prestazioni del sistema di raffreddamento, con l’obiettivo di mantenere la temperatura superficiale del dispositivo al di sotto dei 35 °C.
- garantire collegamento semplice e rapido al dispositivo;
- assicurare affidabilità nel tempo;
- alimentazione e corrente;
- minimizzare ingombri e numero di componenti;
- rispetto della normativa vigenete e certificabile CE;
- soluzione brevettabile o modello di utilità;
- prevedere una futura industrializzazione del prodotto.
La principale sfida progettuale consisteva nel trasformare un’idea orientata al raffreddamento in un prodotto realmente utilizzabile, affidabile e competitivo rispetto alle soluzioni tradizionali presenti sul mercato, prestando attenzione ai vincoli normativi e brevettuali.
Soluzione
La soluzione sviluppata si basa su un circuito di raffreddamento a liquido distillato, abbinato a un sistema termoelettrico a effetto Peltier.
L’architettura del prototipo è composta da un’unità principale contenente il sistema di alimentazione e controllo, il modulo Peltier 12V e gli elementi necessari alla gestione termica, collegata tramite un tubo flessibile alla cover del tablet. In aggiunta, sono state sviluppate due alternative di alimentazione: 220V con trasformatore o USB type C a 12V. A seconda della configurazione dunque, il sistema comprende un alimentatore/trasformatore, una scheda elettronica PCB per la gestione e il controllo del sistema, il modulo Peltier e il circuito idraulico.
Il Peltier costituisce il cuore del sistema di raffreddamento: alimentando elettricamente il modulo è possibile creare una differenza di temperatura tra le due superfici dell’elemento termoelettrico. Il lato freddo viene utilizzato per abbassare la temperatura del fluido, mentre il calore trasferito e quello generato dal funzionamento del modulo devono essere dissipati sul lato caldo.
L’acqua distillata viene fatta circolare all’interno del circuito e, una volta raffreddata, viene inviata verso la cover del tablet. La cover è stata progettata specificamente per l’applicazione e realizzata tramite stampa 3D, integrando al proprio interno le cavità necessarie al passaggio del fluido. Inoltre, è stata sviluppata una cavità per l’incollaggio di una lamina di acciaio INOX AISI 304 al fine di massimizzare lo scambio termico mantenendo resistenza ad agenti atmosferici.
Il liquido percorre quindi la cover a contatto con la superficie interessata al raffreddamento, assorbendo parte del calore prodotto dal dispositivo, per poi ritornare verso l’unità di raffreddamento. Questa configurazione permette di separare fisicamente la parte frigorifera dal tablet, mantenendo sulla cover solamente il circuito necessario allo scambio termico. Inoltre, la cover rimane in silicone morbido massimizzando il grip e minimizzando il peso della stessa.
Particolare attenzione è stata dedicata anche al collegamento idraulico. È stata valutata l’adozione di un tubo flessibile a due canali, con sezioni equivalenti per mandata e ritorno, in modo da concentrare in un unico elemento il collegamento tra unità frigorifera e cover e ridurre l’ingombro complessivo del sistema.
Attività svolte
Lo sviluppo ha seguito un percorso multidisciplinare, combinando progettazione meccanica, termodinamica, fluidodinamica ed elettronica. L’approccio adottato ha consentito di sviluppare una soluzione bilanciata tra requisiti di sicurezza, semplicità costruttiva, estetica moderna, accessibilità operativa e integrazione con dispositivo esistente.
Modellazione del sistema e capacità di riscaldamento: la prima fase ha riguardato la definizione del comportamento termico del dispositivo e la stima della quantità di calore generata durante l’utilizzo; sono stati analizzati i principali meccanismi di trasferimento del calore e le condizioni operative del tablet, arrivando a una prima stima della potenza termica che il sistema di raffreddamento avrebbe dovuto essere in grado di asportare.
Definizione della potenza raffreddante necessaria: una volta definito il carico termico, è stata determinata la capacità frigorifera richiesta al sistema; sono stati considerati diversi parametri, tra cui temperatura di ingresso e uscita del fluido, portata, temperatura ambiente, superficie di scambio e condizioni operative del dispositivo. Questa analisi ha permesso di dimensionare progressivamente il sistema e di verificare la compatibilità tra le prestazioni richieste e le tecnologie disponibili.
Studio delle tecnologie termodinamiche: sono state analizzate diverse tecnologie di raffreddamento, confrontandone prestazioni, ingombri, consumi, complessità e possibilità di integrazione; la tecnologia Peltier è risultata particolarmente interessante per la possibilità di realizzare un sistema compatto, senza compressore e con un numero contenuto di componenti meccanici in movimento.
Studio delle tecnologie produttive: parallelamente alla progettazione è stata valutata la producibilità dei diversi componenti; per la fase di prototipazione è stata scelta la stampa 3D, particolarmente adatta alla realizzazione rapida della cover e alla verifica delle geometrie interne del circuito. Questo approccio ha permesso di modificare rapidamente sezioni, canali, raccordi e punti di collegamento, riducendo tempi e costi delle iterazioni progettuali.
Ottimizzazione dello scambio termico: una parte significativa dello sviluppo ha riguardato la ricerca della configurazione in grado di massimizzare lo scambio termico tra dispositivo e fluido; sono state valutate differenti geometrie delle cavità interne alla cover, con particolare attenzione alla distribuzione del fluido, alla superficie di contatto e alla continuità del percorso. L’obiettivo era ottenere un raffreddamento il più possibile uniforme della superficie posteriore del tablet, evitando zone con scarsa circolazione del fluido.
Modellazione CAD e prototipazione: il sistema è stato completamente sviluppato attraverso modellazione CAD 3D, dalla cover ai componenti dell’unità principale; la progettazione tridimensionale ha consentito di verificare ingombri, interferenze, passaggi dei tubi, alloggiamenti dei componenti e integrazione dell’elettronica prima della realizzazione fisica. Il prototipo è stato successivamente prodotto tramite stampa 3D e assemblato integrando componenti meccanici, circuito idraulico ed elettronica di controllo..
Test e validazione: il prototipo è stato sottoposto a test direttamente sul dispositivo per verificare il comportamento reale del sistema; le prove hanno permesso di validare il dimensionamento iniziale, verificare la capacità di raffreddamento e identificare eventuali punti di ottimizzazione. Il risultato ottenuto ha consentito di raggiungere l’obiettivo progettuale di mantenere la temperatura superficiale del retro del dispositivo al di sotto dei 40 °C nelle condizioni di utilizzo considerate.
Industrializzazione e Standardizzazione: il prossimo step sarà l’industrializzazione dei vari componenti, definendo non oslo mterial idefinitivi e processi, ma anche linee guida per l’assemblaggio e la definizione dei controlli qualità. Progettazione del packaging e delle automazioni per l’assemblaggio sono a carico dello studio, termine previsto a dicembre 2026 ma informazioni protette da accordo con nuova società di non divulgazione
Risultato
Il risultato del progetto è un sistema di raffreddamento a liquido compatto, progettato specificamente per l’integrazione con un tablet. In parallelo, sono stati sviluppati tre modelli, che mantenendo lo stesso modulo di controllo fossero compatibili con smartphone di diverse dimensioni. In questo mnodo è stato possibile utilizzare lo stesso modulo di controllo e dissipazione, assemblato con differenti terminali per adattarlo a dispositivi differenti.
L’unità principale ha dimensioni di circa 100 × 120 × 80 mm, mantenendo quindi un ingombro contenuto rispetto alle funzionalità integrate. Oltre alla funzione principale di raffreddamento, il dispositivo è stato progettato considerando anche gli aspetti pratici dell’utilizzo quotidiano. Sono state quindi integrate specifiche feature per l’avvolgimento e la gestione dei cavi, con l’obiettivo di rendere il sistema più ordinato e facilmente trasportabile.
È stata inoltre sviluppata una custodia dedicata in grado di contenere l’intero kit, comprendente unità di raffreddamento, collegamenti e accessori. La progettazione del packaging è parte integrante dello sviluppo e contribuisce a trasformare il prototipo funzionale in un prodotto più vicino alla configurazione commerciale.
Dal punto di vista funzionale, il sistema ha dimostrato la capacità di controllare la temperatura della superficie posteriore del tablet, mantenendola al di sotto dei 40 °C nelle condizioni di test considerate. Il progetto si trova attualmente nella fase di completamento della valutazione commerciale. Le attività successive riguarderanno l’ottimizzazione definitiva dei componenti, la definizione dei costi di produzione, la valutazione della supply chain e la preparazione dei primi lotti produttivi.
L’obiettivo finale è trasformare il prototipo sviluppato in un prodotto industrializzato, mantenendo il giusto equilibrio tra prestazioni termiche, dimensioni, consumi, affidabilità e costi di produzione.
Dalla richiesta funzionale al prodotto
Questo progetto rappresenta un esempio di come una necessità apparentemente semplice — evitare il surriscaldamento di un tablet — possa richiedere un percorso di progettazione articolato. La soluzione finale non è infatti il risultato della sola scelta di un componente frigorifero, ma dell’integrazione di diversi aspetti: analisi termica, progettazione fluidodinamica, meccanica CAD, elettronica, scelta dei materiali, prototipazione, assemblaggio e validazione sperimentale.
Il passaggio dalla richiesta iniziale alla realizzazione del prototipo ha permesso di trasformare un’esigenza concreta dell’utilizzatore in un sistema fisico funzionante e dimensionato sulle specifiche applicative. Il progetto prosegue ora verso la fase di industrializzazione, con l’obiettivo di portare sul mercato una soluzione compatta e integrata per il raffreddamento di dispositivi elettronici portatili.
Strumenti utilizzati
Lo sviluppo del progetto ha richiesto l’impiego di strumenti e metodologie tipiche delle attività di progettazione meccanica e sviluppo prodotto.Tra i principali strumenti utilizzati:
- Solidworks 2025 – modellazione 3D parti, assiemi e simulazioni
- Peel 2 e Peel 3D CAD – scansione dispositivo mobile (tablet) per ingombro CAD
- Onlyoffice Editors: presentazione clienti, milestones e diagrammi; calcoli energetici
- Gemini AI – generazione rendering realistici
- Strumenti di misura vari per rilievi e dimensionamenti
- Servizio esterno di Stampa 3D (HP MJF e Polyjet True Silicon)
L’utilizzo di strumenti digitali avanzati ha consentito di accelerare le attività di sviluppo, ridurre il numero di iterazioni progettuali e supportare le decisioni tecniche durante tutte le fasi del progetto, dalla generazione del concept fino alla definizione della soluzione finale.
Nota: Le immagini presenti in questo articolo hanno finalità puramente illustrative e potrebbero non rappresentare il prodotto o il sistema effettivamente sviluppato. Alcuni contenuti sono stati adattati o semplificati al fine di garantire la riservatezza delle informazioni tecniche e commerciali del cliente.
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