Theoretical and experimental analysis of a diffusion bonded ultra-thin copper loop heat pipe

Abstract

Tubos de calor planos em circuito utilizam da mudança de fase de um fluido de trabalho para transferir altas taxas de calor, tornando-os adequados para aplicações em dispositivos eletrônicos, como smartphones. Na presente dissertação, é proposto um método de fabricação de tubos de calor planos em circuito ultrafinos com espessuras inferiores a 1,6 mm, que preservam a eficiência de dispositivos de transferência de calor comumente utilizados. Tubos de calor em circuito com 1,6; 1,2 e 0,9 mm de espessura são fabricados utilizando tecnologia de sinterização e união por difusão. Os dispositivos de transferência de calor possuem uma estrutura porosa de cobre em pó, localizada no interior do evaporador, a qual fornece a força motriz necessária para a circulação do fluido de trabalho. Uma estrutura secundária localizada na linha de líquido, na qual possui as mesmas propriedades da localizada no evaporador, é utilizada para garantir que o fluido condensado retorne ao evaporador. Uma bancada é desenvolvida para avaliar o desempenho térmico do tubo de calor, onde é simulada o resfriamento de um processador (chip), típica aplicação eletrônica do presente dispositivo, os quais são analisados termicamente, tendo como fonte fria a convecção natural do ar a uma temperatura ambiente de 24 ± 1 ºC, sendo testados nas posições: horizontal, vertical (assistida pela gravidade) e vertical invertido (contra gravidade). Dois fluidos de trabalho diferentes são analisados: etanol e água destilada. Uma modelagem matemática, baseada em circuitos térmicos equivalentes, balanço de energia e massa e queda de pressão, é proposta como ferramenta de projeto para prever o desempenho térmico do dispositivo projetado. O método de fabricação proposto provoca poucas deformações em todo o dispositivo. A investigação experimental mostra que a estrutura porosa secundária é essencial para a circulação do fluido de trabalho. Os dados experimentais confirmam que, reduzindo a espessura, o desempenho térmico dos tubos de calor diminui, devido principalmente à maior taxa transferência de calor por condução, na qual não participa na mudança de fase, e ao menor confinamento do fluido de trabalho. O tubo de calor em circuito ultrafino com maior espessura, 1,6 mm, apresenta a menor resistência térmica de 0,20 ºC/W, transportando 8 W/cm². Reduzindo a espessura em 50%, o desempenho térmico piora em, aproximadamente, três vezes. Ainda, o modelo teórico demonstra ser uma ferramenta promissora de projeto destes dispositivos, uma vez que foi capaz de predizer o funcionamento dos tubos de calor em circuito

Abstract: Flat loop heat pipes work with phase change of a working fluid to transfer high heat fluxes, making them suitable for electronic applications, such as smartphones. In this dissertation, a manufacturing process for ultra-thin flat loop heat pipes with thicknesses below 1.6 mm is proposed, preserving the efficiency of commonly used heat transfer devices. Loop heat pipes with 1.6, 1.2 and 0.9 mm thick are manufactured using sintering and diffusion bonding technology. The heat transfer devices have a porous structure of copper powder, located inside the evaporator, which provides the necessary driving force for the working fluid circulation. A secondary structure located in the liquid line, which consist with the same properties of the located in the evaporator, is used to ensure that the condensed fluid returns to the heated side. A workbench is developed to evaluate the thermal performance of the heat pipe, which consists of simulating the cooling of a processor chip, typical electronic application for the present devices, which are tested subjected to natural convection with air at an ambient temperature of 24 ± 1 ºC. They are tested in horizontal, vertical (assisted by gravity) and vertical inverted (against gravity) inclinations. Two different working fluids are analyzed: ethanol and distilled water. A theoretical modeling, based on equivalent thermal circuits, energy and mass balance and pressure drop, is proposed as a design tool to predict the thermal performance of the designed device. The applied manufacturing method causes little deformation in the entire loop heat pipe. Experimental results show that the liquid line wick structure is essential for the circulation of the working fluid. The experimental data confirm that, by reducing the thickness, the thermal performance of the heat pipes decreases, due to among others, the reasons: greater heat transfer by conduction and smaller confinement of the working fluid. The ultra-thin loop heat pipe with greater thickness, 1.6 mm, has the lowest thermal resistance of 0.20 ºC/W, transferring 8 W/cm². Reducing the thickness by 50%, the thermal performance worsens approximately three times. In addition, the theoretical model proves to be a promising method for designing and predicting the flat loot heat pipe operation.