Esempio di applicazione (case study) sul controllo elettrico dei tubi di calore (heat pipe)

La sfida della progettazione

Un produttore di apparecchi industriali aveva a disposizione uno spazio molto limitato per il dissipatore di calore in un nuovo sistema di condizionamento e controllo della potenza. Il nuovo sistema era composto da tre piastre IGBT ad alta potenza, molto ravvicinate tra loro, con una piccola finestra termica causata da una temperatura ambiente di 50°C max. Ad aggravare la complessità del progetto, vi era una condizione transitoria del sistema che avrebbe raddoppiato la potenza per 1 minuto ogni 10 minuti. Aavid, la divisione di gestione termica di Boyd Corporation, aveva lavorato a molti altri progetti che prevedevano simili dettagli, sebbene non con lo stesso livello di potenza.

L'armadio che ospitava il dissipatore era dotato di due ventole per convezione forzata ma il flusso d'aria era condiviso con un altro dissipatore per il raffreddamento di un dispositivo SCR. Sebbene i dissipatori di calore fossero completamente canalizzati per forzare tutta l'aria disponibile attraverso gli stessi, la parte superiore del sistema era ostruita dall'assorbimento di una percentuale limitata del flusso d'aria, pari al 65%. Il nuovo progetto del dissipatore di calore doveva considerare il difficile equilibrio tra il flusso d'aria e la perdita di carico attraverso l'intero armadio.

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La Soluzione di Aavid

In passato, richieste simili erano state gestite da Aavid con soluzioni estruse, ma con una potenza così elevata la densità delle alette di un'estrusione non avrebbe risolto il problema. Per aumentare l'area superficiale per il trasferimento del calore è stato adottato un approccio ad alette incollate caratterizzato da una maggiore densità delle alette. Il successivo miglioramento delle prestazioni è stato ottenuto distribuendo il più possibile la potenza su tutta la base per abbassare la temperatura dei punti caldi localizzati. Utilizzando più tubi di calore (heat pipe) sotto ogni IGBT, è stato aumentata l'impronta effettiva di ogni dispositivo. In questo modo il calore poteva penetrare più facilmente nelle alette che non si trovavano direttamente sopra le piastre IGBT.

I tubi di calore (heat pipe) incorporati nella base hanno contribuito a soddisfare i requisiti termici per lo stato stazionario di 9 minuti, ma il rendimento era ancora carente per lo stato transitorio a doppia potenza di 1 minuto. Per incrementare le prestazioni del dissipatore di calore, i tubi di calore (heat pipe) sono stati fatti passare dall'alto della base e poi attraverso il centro delle alette. Trasportando il calore al centro delle alette, le estremità più lontane dalla base sono diventate più efficienti.

Dopo un lungo lavoro di progettazione di modelli CFD termici sono stati costruiti e sottoposti a test di collaudo i prototipi con esiti positivi. Il modello è attualmente prodotto in serie con successo.

Il risultato finale è un dissipatore di calore molto efficiente che non occupa più spazio di un tipico dissipatore ad alette incollate estruso o liscio.