Flat mini heat pipe technologies for the thermal management of electronics

Abstract

Dispositivos bifásicos são soluções promissoras para o gerenciamento térmico de componentes eletrônicos, uma vez que são simples, compactos e pequenos, atendendo aos principais requisitos das suas aplicações, como alta capacidade de transferência de calor a partir de cargas térmicas concentradas. Os tubos de calor englobam uma enorme família de tecnologias passivas que transferem calor de forma eficiente utilizando um ciclo bifásico de um fluido de trabalho, diferenciando-se pelo meio que promovem o movimento do líquido. Neste contexto, a presente pesquisa estuda o desempenho térmico de tubos de calor com diferentes configurações, fabricados por meio da tecnologia de união por difusão, para o controle térmico de componentes eletrônicos, incluindo os de aplicação espacial, a fim de se verificar em que condições cada tecnologia é mais adequada, resultando em um amplo conjunto de soluções de manejo térmico de dispositivos de pequeno porte. Para isso, tubos de calor de placa plana com as mesmas dimensões externas, modificando-se somente a estrutura interna, foram projetados, construídos a partir do empilhamento de chapas de cobre e testados sob as mesmas condições. As diferentes configurações de tubos de calor incluem: fios e placas, pó sinterizado, tela metálica, híbrido, termossifão, pulsante e em circuito, além de uma nova estrutura capilar, fios torcidos, e uma nova proposta de tubo de calor pulsante, PHP de fios. A geometria plana foi selecionada para os dispositivos bifásicos, com dimensões de 100 x 55 mm2, pequena o suficiente para ser usada na maioria dos tablets, laptops e CPUs, assim como em eletrônicos a bordo de satélites e espaçonaves. Água deionizada e destilada foi utilizada como fluido de trabalho com diferentes razões de preenchimentos. Como principais contribuições desta tese para o estado da arte, tem-se a concepção de um mapa de aplicação de tubos de calor de placa plana de pequeno porte, o desenvolvimento de tubo de calor plano com uma estrutura capilar inovadora, simples e altamente eficiente e, além disso, um tubo de calor pulsante com uma geometria de canal inédita.

Abstract: Two-phase devices are promising solutions for the thermal management of electronic components since they are simple, compact, and small, fulfilling the main requirements for their applications, such as high heat transfer capacity from concentrated thermal loads. Heat pipes encompass a huge family of passive technologies that transfer heat efficiently using a two-phase cycle of a working fluid, differing by the means that promote the liquid motion. In this context, the present research studies the thermal performance of heat pipes with different configurations, manufactured using diffusion bonding technology, for the thermal control of electronic components, including those for space applications, to verify under what conditions each technology is more suitable, resulting in a broad set of thermal management solutions for small devices. To achieve this, flat plate heat pipes with the same external dimensions, modifying only the internal structure, were designed, constructed from a stack of copper plates, and tested under the same conditions. The different heat pipe configurations include: wires and plates, sintered powder, screen mesh, hybrid, thermosyphon, pulsating and loop, as well as a new capillary structure, twisted wires, and a new proposal for a pulsating heat pipe - wired PHP. All the tested devices have the same external flat geometries, with dimensions of 100 x 55 mm2, small enough to be used in most tablets, laptops, and CPUs, as well as in electronics on board satellites and spacecraft. Deionized and distilled water was used as working fluid with different filling ratios. The main contributions of this thesis to the state of the art include the conception of an application map for small flat plate heat pipes, the development of a flat heat pipe with an innovative, simple capillary structure and highly efficient and, in addition, a pulsating heat pipe with a unique channel geometry.