Tecnologia dei tubi di calore (heat pipe)

Che cosa sono i tubi di calore (heat pipe)?

I tubi di calore (heat pipe) sono i più comuni sistemi bifase passivi e capillari. Il trasferimento di calore bifase comporta il cambio di fase liquido-vapore (ebollizione/evaporazione e condensazione) di un fluido di lavoro. Dal 1970, il leader nel settore della tecnologia dei tubi di calore (heat pipe), Aavid, Divisione termica di Boyd Corporation è specialista nella progettazione, nello sviluppo e nella produzione di dispositivi bifase passivi per il trasferimento del calore.

I tubi di calore (heat pipe) hanno un'elevata conducibilità termica che risulta essere estremamente efficace. Mentre i conduttori solidi quali alluminio, rame, grafite e diamante hanno una conducibilità termica che varia da 250 W/m•K a 1.500 W/m•K, la conducibilità termica effettiva nei tubi di calore (heat pipe) varia da 5.000 W/m•K a 200.000 W/m•K. I tubi di calore (heat pipe) trasferiscono il calore dalla fonte di calore (evaporatore) al dissipatore di calore (condensatore) su distanze relativamente lunghe attraverso il calore latente di vaporizzazione di un fluido di lavoro. Generalmente i tubi di calore (heat pipe) hanno 3 sezioni: una dell'evaporatore (ingresso calore / fonte), una adiabatica (o di trasporto) e una del condensatore (uscita calore/dissipatore).

Componenti principali del tubo di calore (heat pipe)

I tre componenti principali del tubo di calor (heat pipe) sono:
•Involucro o recipiente di contenimento sigillato e a tenuta stagna

•Fluido di lavoro

•Struttura porosa capillare

Tutte queste parti contribuiscono a trasferire il calore in modo più efficiente e uniforme. La struttura porosa riveste la superficie interna dell'involucro del tubo di calore (heat pipe) ed è satura del fluido di lavoro. Il materiale poro fornisce la struttura per sviluppare l'azione capillare per il ritorno del liquido dal condensatore (uscita calore/dissipatore) all'evaporatore (ingresso calore/fonte). Poiché il tubo di calore (heat pipe) presenta un vuoto, il fluido di lavoro bolle e assorbe il calore latente ben al di sotto del suo punto di ebollizione alla pressione atmosferica. L'acqua, per esempio, bollira' appena sopra i 273° K (0°C) e inizierà a trasferire efficacemente il calore latente a questa bassa temperatura.

Involucro del tubo di calore (heat pipe) o recipiente di contenimento

I tubi di calore (heat pipe) possono essere costruiti con diversi materiali. Aavid ha costruito tubi di calore (heat pipe) in alluminio, rame, titanio, monel, acciaio inossidabile, inconel e tungsteno. Il materiale più comune per le applicazioni di raffreddamento elettronico è il rame. La scelta del materiale di contenimento del tubo di calore (heat pipe) dipende in larga misura dalla compatibilità con il fluido di lavoro.

Fluidi di lavoro

Aavid ha progettato, sviluppato e prodotto tubi di calore (heat pipe) utilizzando oltre 27 diversi fluidi di lavoro. La scelta del fluido dipende dalla temperatura di esercizio dell'applicazione. Il fluido varia dall'elio liquido per le applicazioni con temperatura estremamente bassa (-271°C) all'argento (>2,000°C) per le temperature estremamente alte. Il fluido più comune è l'acqua, per una temperatura operativa che varia da 1°C a 325°C. I tubi di calore (heat pipe) a bassa temperatura usano fluidi quali ammoniaca e azoto. I tubi ad alta temperatura utilizzano cesio, potassio, NaK e sodio (873-1,473°K).



Fuido di lavoro per i tubi di calore (heat pipe)

Gamma di temperatura operativa (°C)

Materiale involucro tubo di calore (heat pipe)

Fluidi di lavoro per tubi di calore (heat pipe) criogenici o a bassa temperatura

Anidride carbonica

-da 50 a 30

alluminio, acciaio inossidabile, titanio

Elio

-da 271 a -269

acciaio inossidabile, titanio

Idrogeno

-da 260 a -230

Acciaio inossidabile

Metano

-da 180 a -100

Acciaio inossidabile

Neon

-da 240 a -230

Acciaio inossidabile

Azoto

-da 200 a -160

Acciaio inossidabile

Ossigeno

-da 210 a -130

alluminio, titanio

Fluidi di lavoro a medio raggio per tubi di calore (heat pipe)

Acetone

-da 48 a 125

Alluminio, acciaio inossidabile

Ammoniaca

-da 75 a 125

Alluminio, acciaio inossidabile

Etano

-da 150 a 25

Alluminio

Metanolo

-da 75 a 120

rame, acciaio inossidabile

Metilammina

-da 90 a 125

Alluminio

Pentano

-da 125 a 125

Alluminio, acciaio inossidabile

Propilene

-da 150 a 60

Alluminio, acciaio inossidabile

Acqua

da 1 a 325

Rame, monel, nickel, titanio

Fluidi dei tubi di calore (heat pipe) per alte temperature

Cesio

da 350 a 925

Acciaio inossidabile, inconel, haynes

NaK

da 425 a 825

Acciaio inossidabile, inconel, haynes

Potassio

da 400 a 1.025

Acciaio inossidabile, inconel, haynes

Sodio

da 500 a 1.225

Acciaio inossidabile, inconel, haynes

Litio

da 925 a 1.825

Tungsteno, niobo

Argento

da 1.625 a 2.025

Tungsteno, molibdeno



Strutture porose

La struttura porosa del tubo di calore (heat pipe) utilizza capillari per spostare il fluido di lavoro dalla sezione del condensatore a quella dell'evaporatore. Le strutture porose per i tubi di calore (heat pipe) sono costruite con vari materiali e metodi. Le strutture più comuni comprendono: scanalature assiali sulla parete interna del tubo di calore (heat pipe), schermo/filo e "polvere metallica sinterizzata". Altre strutture avanzate per tubi di calore (heat pipe) includono arterie, polveri sinterizzate bi-disperse e strutture porose composite.

Aavid produce tutte le strutture porose più comuni, così come le strutture avanzate. Aavid è inoltre specializzata nella produzione di un materiale poroso "in polvere metallica sinterizzata" che consente al tubo di calore (heat pipe) di fornire la massima capacità di flusso di calore, il massimo grado di insensibilità all'orientamento gravitazionale e tolleranza al congelamento/scongelamento.

Tecnologie per tubi di calore (heat pipe) di Aavid per qualsiasi applicazione

I modelli dei tubi di calore (heat pipe) incorporati offrono prestazioni migliori per i dissipatori di calore esistenti fino a 50% con modifiche minime al design.

I dissipatori di calore a camera di vapore alleviano la resistenza alla diffusione e gestiscono flussi di calore più elevati rispetto ai tradizionali dissipatori di calore solidi usati come base di un dissipatore di calore.

La tecnologia a torre del tubo di calore (heat pipe) utilizza una struttura porosa e alette di raffreddamento verticali per garantire la massima dissipazione del calore con il minimo ingombro.

I tubi di calore (heat pipe) ad anello non hanno una struttura porosa nelle linee del liquido e del vapore. Sono ideali per applicazioni in cui la distanza dalla fonte di calore al condensatore rende inutilizzabili i tubi di calore (heat pipe) convenzionali, o dove le applicazioni hanno elevate forze gravitazionali o requisiti di isolamento da urti e vibrazioni.

I tubi di calore (heat pipe) scanalati sono tubi a bassa temperatura che utilizzano liquidi come l'ammoniaca e il propilene per la distribuzione del calore su lunghe distanze per applicazioni quali il controllo termico satellitare.

I rivestimenti isotermici per caldaia (IFL), sono tubi di calore ad alta temperatura usati per creare temperature uniformi o isotermiche per applicazioni come la calibrazione delle termocoppie e la cristallogenesi dei semiconduttori.



 

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