Evaporador para termossifão bifásico em circuito fabricado por difusão, visando aplicações veiculares

Abstract

Este trabalho apresenta tanto o estudo teórico como o experimental de um termossifão em circuito, projetado para promover controle térmico passivo de componentes eletrônicos em veículos. O foco desse trabalho é desenvolver um evaporador plano que compreende dez placas de cobre empilhadas e soldadas por difusão. Cortes são executados nas placas internas de modo a formar canais internos após a soldagem do empilhamento. Água é empregada como fluido de trabalho. O dispositivo foi testado com duas razões de enchimento. O desempenho de um evaporador assistido por tela, foco desse estudo, é comparado com o de um dispositivo desprovido de tela com a mesma geometria. Testes com fonte de calor concentrada e distribuída sobre a superfície externa do evaporador foram realizados com o intuito de avaliar o espalhamento térmico. O sistema de controle térmico assistido pelo evaporador com tela fornece resfriamento passivo eficiente mesmo para fonte de calor concentrada entregando até 18 W/cm2. Com um sumidouro operando a 20oC, no caso de fonte de calor concentrada - densidade de potência entre 6 e 18 W/cm2 - posicionada na extremidade da superfície externa do evaporador, a temperatura máxima na parede do evaporador foi 75,1oC e a resistência térmica 0,122oC/W. No caso da fonte quente centralizada, a temperatura máxima na parede do evaporador foi 44,7oC e a resistência térmica 0,055oC/W. A maioria dos testes realizados com o evaporador desprovido de tela apresentou geyser boiling, fenômeno que foi eliminado ao empregar o evaporador assistido por tela. Efeitos das variações da vazão mássica do banho térmico e das inclinações de até 8,1o no comportamento térmico do protótipo são considerados irrelevantes. O Erro Médio Quadrático entre a resistência térmica obtida pelo modelo matemático proposto e aquela obtida experimentalmente é 6.6% quando a fonte quente é posicionada em uma das extremidades da parede externa do evaporador, enquanto que quando a fonte quente está localizada no centro o erro é de 4.8%.

Abstract : This work presents both theoretical and experimental studies of a two-phase loop thermosyphon designed to promote passive thermal management of electronics components in motor vehicles. The major concern of this work is to develop a flat evaporator which comprises ten square stacked copper plates bonded by diffusion. Channels were manufactured in the inner plates so that internal grooves are obtained after the stack is bonded. Water was employed as working fluid. The device was tested with two filling ratios. The performance of a wicked evaporator, major concern of this study, is compared to a wickless device with the same geometry. Tests with concentrated and distributed heat sources over the evaporator external surface were performed in order to evaluate thermal spreading. The thermal control system assisted by the wicked evaporator provides efficient passive cooling even for concentrated heat source delivering up to 18 W/cm2. For a heat sink operating at 20oC, in case of concentrated heat source - power density ranging from 6 to 18 W/cm2 - situated in the edge of the external surface of the evaporator, the maximum wall temperature in the evaporator wall was 75.1oC and thermal resistance 0.122oC/W. Regarding the centralized heat source, maximum wall temperature in the evaporator wall was 44.7oC and thermal resistance 0.055oC/W. The majority of the tests performed with the wickless evaporator presented geyser boiling, phenomenon which has been vanished by employing the wicked evaporator. Effects of variations of the thermal bath mass flow rate and of inclinations up to 8.1o on the thermal behavior of the prototype are considered irrelevant. The Mean Squared Error between the thermal resistance obtained by the mathematical model proposed and that experimentally obtained is 6.6 when the heat source is positioned in one of the edges of the evaporator external surface, while when the heat source in located in the center the error is 4.8%.