Diffusione del calore
I diffusori di calore offrono elevata conduttività termica conveniente e affidabile, quasi senza bisogno di componenti mobili.
Un diffusore di calore è una soluzione efficace per gestire le fonti di calore con elevata densità di flusso di calore (elevato flusso di calore per unità d'area) e nei casi in cui uno scambiatore di calore secondario non è sufficiente per disperdere il calore (a causa di limiti di spazio, utilizzo energetico, costi, ecc.). I diffusori di calore permettono ai progettisti di utilizzare scambiatori di calore secondari con raffreddamento ad aria invece che a liquido.
La maggior parte dei diffusori di calore sono piastre di rame che fungono da scambiatori di calore. I diffusori di calore trasferiscono il calore tra la fonte e (generalmente) uno scambiatore di calore secondario. Il calore si "diffonde" dalla fonte tramite il diffusore di calore, spostandosi da una zona più piccola a una più grande interconnesse (lo scambiatore di calore secondario). Sebbene il flusso di calore nel diffusore di calore sia uguale a quello nello scambiatore di calore secondario, la densità del flusso di calore viene ridotta, rendendo più semplice disperdere il calore tramite il raffreddamento ad aria. La ridotta densità del flusso di calore permette inoltre di realizzare lo scambiatore di calore secondario con materiali meno costosi.
Boyd offre una varietà di tecnologie di diffusione del calore che forniscono un miglioramento significativo delle conduttività termiche efficaci della soluzione. Tali tecnologie per la diffusione del calore comprendono:
- Conduzione solida avanzata (k-Core® / Graphite Technologies)
- Piastre di raffreddamento con tubi di calore (heat pipe) incorporati
- Insiemi camera di vapore (vapor chamber)
Trasferimento del calore
Tubi di calore
I tubi di calore possono essere utilizzati per spostare il calore su distanze che vanno da pochi pollici (> 50 mm) a più di 3 piedi (> 1 metri). In un tubo di calore, il calore proveniente da una fonte di calore entra dall'estremità dell'evaporatore del tubo, portando il fluido di funzionamento a cambiare fase da liquido a gassoso. Il vapore viaggia attraverso il tubo di calore verso l'altra estremità, quella del condensatore, dove il dissipatore di calore primario o secondario rimuove l'energia termica. Il rilascio di calore nell'estremità del condensatore spinge il vapore a ricondensarsi in forma liquida, che viene poi assorbita in una struttura porosa. Le strutture porose incorporate nelle pareti interne di un tubo di calore permettono al liquido di condensarsi nel tubo di calore per poi tornare dalla sezione del condensatore a quella dell'evaporatore tramite l'azione capillare. L'efficienza che mobilita il calore in questa soluzione termica è determinata da fattori come il fluido di funzionamento, il diametro, la lunghezza, la flessibilità, la piattezza e l'orientamento.
Le quattro strutture porose del tubo di calore prodotte comunemente sono composte da canali nella parete interna del tubo, reti, polvere metallica e fibre/molle. Queste strutture hanno limiti di porosità variabili (il tasso di pompaggio al quale il fluido viaggia dal condensatore all'evaporatore).
Tubi di calore ad anello
Anche un tubo di calore ad anello (LHP) è un trasferitore di calore bifase che utilizza l'azione capillare per rimuovere il calore dalla fonte e spostarlo passivamente verso un condensatore o un radiatore. Gli LHP sono simili ai tubi di calore ma hanno il vantaggio di fornire un funzionamento affidabile su lunghe distanze (fino a 75 metri) e possono funzionare contrastando la gravità (condizioni ad elevata forza g).
In un tubo di calore ad anello, la struttura porosa è presente solo nell'evaporatore e il fluido vaporizzato viene separato dal liquido e viaggia in un anello attraverso il condensatore e di nuovo fino all'evaporatore. Boyd ha sviluppato e prodotto diversi progetti di LHP che vanno da LHP potenti e di grandi dimensioni (>2000W) a LHP miniaturizzati (<100W) che sono stati impiegati con successo in una vasta gamma di applicazioni aerospaziali e terrestri.
Fluidi operativi, range di temperature operative, orientamento e formatura
Il tipo di fluido operativo influenza le prestazioni del tubo di calore. Un tubo di calore o un tubo ad anello funziona solo se la temperatura del fluido è sopra il punto di congelamento. Quando la temperatura sale sopra il punto di condensa del fluido operativo, il vapore non si condensa e non torna alla fase liquida e non si verifica la circolazione e il raffreddamento del fluido. La selezione del fluido si basa sull'intervallo di temperatura operativa dell'applicazione.
Boyd ha progettato e sviluppato heat pipe e tubi di calore ad anello per intervalli di temperatura operativa da Criogenico (<-250 °C) ad Alta temperatura (>2000 °C). L'acqua è il fluido operativo più comune, per le sue ottime proprietà termiche e per temperature operative che vanno da 5°C a 250°C.
Boyd ha progettato, sviluppato e prodotto tubi di calore utilizzando oltre 27 diversi fluidi di lavoro.
L'orientamento di un tubo di calore relativamente alla gravità e la sua struttura porosa hanno un ruolo importante nelle prestazioni. Ad esempio, il materiale poroso scanalato ha il limite capillare più basso in assoluto, ma funziona al meglio in condizioni di gravità, quando l'evaporatore si trova sotto il condensatore. I tubi di calore (heat pipe) ad anello sono meno sensibili all'orientamento e si affidano a una struttura porosa con capacità di pompaggio altamente capillare nell'evaporatore per aumentare le prestazioni.
I tubi di calore possono essere formati (appiattiti o flessi) per essere integrati in un dispositivo. Appiattire o flettere un tubo di calore ridurrà la quantità massima di calore trasportabile. È necessario tenere presente questo limite in fase di progettazione.
Applicazioni dei tubi di calore
Per spostare il calore in applicazioni industriali, elettroniche, aerospaziali o di altro genere, i tubi di calore e i tubi ad anello vengono solitamente integrati in sottosistemi termici, per trasportare il calore dalla fonte a zone più lontane. I tubi di calore sono molto efficienti per allontanare il calore dalla fonte e da componenti termo-sensibili verso un dissipatore di calore in un'altra zona.
Un raffreddatore elettronico ad alta capacità è un'esempio di soluzione termica in cui non c'è abbastanza spazio per montare un dissipatore di calore ad alette di fianco alla fonte di calore. Piuttosto, i tubi di calore ad alta capacità spostano il calore verso l'array ad alette, che dissipa l'energia termica utilizzando la convezione forzata. In questo modo si possono dissipare centinaia di watt.
Vantaggi dei tubi di calore e dei tubi ad anello
L'integrazione dei tubi di calore e dei tubi ad anello in una soluzione termica comporta molti vantaggi, tra cui:
- Elevata conducibilità termica efficace (>5000 W/m•K)
- Trasporto di calore a lunga distanza
- Elevata affidabilità
- Assenza di parti mobili
- Convenienza
- Passività - non richiede parti mobili e altre simili difficoltà legate alla manuntenzione
Inolte, i tubi di calore e i tubi ad anello possono essere progettati per svariati fattori ambientali esterni come shock meccanico, vibrazioni, impatti, shock/cicli termici e ambienti corrosivi che possono influire sulla vita del tubo.
Disperdere il calore
Utilizzando le tecnologie di soluzione termica di Boyd come dissipatori di calore, tubi di calore, camere di vapore, tubi di calore ad anello, k-Core®, piastre fredde liquide e scambiatori di calore, i progettisti possono scegliere di dissipare il calore di scarto in aria (convezione naturale o forzata), in liquido (acqua, acqua / glicole, PAO) o irradiare nello spazio.
Dissipare il calore nell'aria
In molte applicazioni, il metodo di elezione per la gestione termica è il raffreddamento per convezione in aria, specialmente nelle applicazioni elettroniche. Con il dissipatore di calore di Boyd, i gruppi di tubi di calore e le tecnologie di diffusione del calore, il calore di scarto viene in genere assorbito da un dispositivo di generazione di calore (ad esempio, un componente elettrico all'interno di un sistema elettronico - cioè computer e data center) e quindi spostato o diffuso per la dissipazione nell'aria ambiente attraverso naturale o forzato (utilizzando un air mover della ventola). Le tecnologie termiche di Boyd, come i gruppi di tubi di calore remoti e le camere di vapore, consentono al progettista di spostare il calore da componenti ad alto flusso di calore in un luogo con una superficie più ampia (in genere alette a piastre o alette piegate) e un flusso di calore inferiore per la dissipazione nell'aria ambiente.
Dissipare il calore in un liquido
Applicazioni con grandi carichi di calore come radar militari o componenti elettronici potenti richiedono spesso che il calore superfluo venga dissipato in un raffreddante liquido (acqua, acqua/glicolo/PAO) di un sistema secondario per poi procedere alla dissipazione del calore. Boyd's heat pipe cold plates and liquid cold plates allow designers to move heat from a heat generating device into a coolant being circulated from a secondary system.
Dissipare il calore per irraggiamento
Con l'aumento dei componenti elettronici nei satelliti, la sfida di eliminare il calore da una superficie limitata è sempre più ardua. I tubi di calore a bassa temperatura, scanalati assialmente di Boyd (ammoniaca / alluminio, etano / alluminio) e la tecnologia del tubo di calore ad anello consentono di respingere il calore attraverso i pannelli del radiatore che vengono immagazzinati per il lancio, quindi dispiegati dal satellite quando il satellite raggiunge l'orbita. I nostri tubi di calore scanalati in senso assiale per basse temperature diffondono il calore all'esterno dei componenti elettronici del satellite, verso i pannelli radianti, dissipando il calore superfluo nello spazio. La nostra tecnologia di tubi di calore ad anello può trasportare e respingere carichi di calore da centinaia di W a carichi maggiori di 2 W.
