Development of a hybrid mini heat pipe for electronics cooling applications

Abstract

Este trabalho aplica tubos de calor híbridos 3D ao gerenciamento térmico de aviônicos (sistema de eletrônicos embarcados) através da remoção de calor de componentes eletrônicos. Tubos de calor híbridos são minitubos de calor que utilizam meio poroso sinterizado no evaporador e uma estrutura de ranhuras formada por fios e placas na seção adiabática e no condensador. Vários tubos de calor foram projetados, fabricados e testados em duas bancadas experimentais. Modelos teóricos foram propostos para estimar as distribuições de: temperatura, pressão, velocidades, variação do raio do menisco e o volume ideal de enchimento do fluido de trabalho. A resistência térmica global obtida pelo modelo teórico foi validada com dados experimentais, obtendo erros RMS de 9% e 11% para os dois casos analisados. Finalmente, este estudo comprovou que o modelo teórico proposto pode ser empregado como ferramenta de projeto e os tubos híbridos podem ser empregados no controle térmico de aviônicos, mesmo em lugares de difícil acesso que requerem geometria 3D complexa.

Abstract: This work applies 3D hybrid heat pipes on the thermal management of avionics (electronic systems used on aircrafts) with heat extraction from the electronic components. Hybrid heat pipes are mini heat pipes that use a sintered porous medium at the evaporator and a groove structure formed by wires and plates at the adiabatic and condenser sections. Several heat pipes were designed, fabricated and tested in two experimental setups. Theoretical models were proposed to estimate the distributions of: temperature, pressure, velocities, radius of meniscus and the ideal working fluid charging volume. The overall thermal resistance obtained by the theoretical model was validated using experimental data, achieving root-mean-square errors of 9% and 11% for the two cases studied. Finally, this study proved that the proposed theoretical model can be used as a design tool and the hybrid heat pipes can be applied on the thermal management of avionics, even in places difficult to reach, requiring complex 3D geometries.