Interface para a transferência de calor entre trocador de calor passivo e termossifão em circuito para aplicações em aeronaves

Abstract

O avanço tecnológico das aeronaves resultou na necessidade de controle térmico de componentes eletroeletrônicos. Trocadores de calor passivos são uma excelente alternativa de refrigeração dos equipamentos, pois oferecem elevada eficiência e confiabilidade. Uma solução em desenvolvimento é o uso de trocadores de calor passivos que podem ser conectados em série por um acoplamento cônico. Nesse contexto, é necessária uma interface com elevada condutância térmica e a geometria cônica, a qual favorece o contato, é o objetivo do estudo. Um aparato experimental foi usado para testar juntas cônicas de cobre a pressão atmosférica e em ambiente de vácuo, reproduzindo o contato entre condensador de termossifão (macho) e o evaporador de termossifão em circuito (fêmea). Desse modo, foram avaliadas tanto a transferência de calor apenas pelo contato metal-metal, como também a influência do fluido intersticial na folga da interface. Os resultados mostram que as juntas cônicas são muito afetadas pelas irregularidades do processo de fabricação e que os desvios da forma ideal provocados por discrepâncias do ângulo cônico são determinantes para a transferência de calor através delas. Além disso, foi observado o efeito de histerese da condutância térmica em consequência do alívio da pressão axial aplicada nas juntas, o que agrega em segurança em aplicações aeronáuticas. Também foi constatado que o fluido intersticial de alta condutividade térmica (pasta térmica) é uma alternativa viável para se conseguir maiores taxas de transferência de calor, com ganhos superiores a 290% quando comparadas as juntas sem fluido intersticial.<br>

Abstract: Technological advances in aeronautics resulted in the need for thermal control of several electronic components. Passive heat exchangers are an excellent solution for electronics cooling because they have high efficiency and reliability. One solution being developed consists of passive heat exchangers connected in series by a conical joint. Therefore, a high thermal conductance interface is necessary and the conical geometry, which improves the contact, is the objective of this research. An experimental set-up was employed to test copper prototypes of conical joints under ambient pressure and under vacuum conditions, simulating the contact between thermosyphon condenser (male) and a loop thermosyphon evaporator (female). Thus, metal to metal contact heat conduction and the influence of interstitial fluid in the gap were evaluated. The results showed that conical joints have irregularities due to manufacturing process, including waviness and form deviation caused by conical angle discrepancy, which are determinant to heat transfer. The thermal conductance hysteresis effect, as a result of axial pressure release, was also observed. This effect shown to be beneficial for safety in aeronautical purposes. It was also observed that an interstitial fluid with high thermal conductivity, such as a thermal paste, is a good option in order to obtain higher heat transfer rates, surpassing 290% comparing to no interstitial fluid.