BRPI1104498A2 - minitubos de calor hÍbrido - Google Patents

Abstract

"MINITUBOS DE CALOR HÍBRIDO". A presente invenção emprega a combinação das características da ewstrutura fios-placas e da estrutura para a fabricação de minitubos de calor. Além disso, utiliza a técnica de soldagem por difusão para a união das partes integrantes de minitubos de calor. Este processo por não apresentar uma fase l´quida evita a obstrução dos canais capilares durante o processo de união. Para a construção da invenção foi desenvolvido um aparato de aço inoxidável que permitiu o fornecimento de altas pressões e o correto posicionamento dos componentes viabilizando o processo de soldagem por difusão da parte integrantes do minitubo (1 a 6).

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Minitubos de Calor Híbrido

A presente invenção refere-se a um trocador de calor em miniatura, chamado minitubo de calor híbrido, composto por dois tipos de estruturas capilares: 1) ranhuras, proporcionada através da tecnologia de fios-placas e 2) material sinterizado. A função principal deste dispositivo é a transferência de calor de regiões quentes para regiões frias com o objetivo de controle e homogeneização da distribuição de temperatura sobre determinados equipamentos eletrônicos (computadores, laptops, servidores, etc). O princípio de montagem e funcionamento de minitubos de calor se

assemelha ao dos tubos de calor convencionais, onde um tubo é evacuado e uma pequena quantidade de fluido de trabalho é inserida no seu interior, sendo este logo depois selado. Uma quantidade de calor aplicada em uma de suas extremidades (evaporador) faz com que o líquido, ali presente, se vaporize. Por diferença de pressão, o vapor gerado se desloca para outro extremo do minitubo onde o calor é absorvido (condensador), por mudança de fase vapor- líquido. Este líquido retorna para a região do evaporador pelo efeito de capilaridade, fechando assim o ciclo.

Em 1984, Cotter foi quem primeiro propôs o conceito de micro tubo de calor como sendo um dispositivo pequeno o suficiente, tal que a curvatura principal da interface líquido-vapor pode ser comparada, em magnitude, com o inverso do raio hidráulico do canal de escoamento do fluido. A concepção de minitubos de calor com fios foi concebida pelo Prof. Peterson da Universidade do Colorado, em Boulder, EUA, onde fios maciços são prensados e brasados entre chapas planas e finas, formando assim, ranhuras bastante finas, que proporcionam a estrutura capilar. Não há nenhum registro de patentes sobre este dispositivo, porém alguns artigos já foram publicados a respeito destes equipamentos em revistas e journals específicos.

Devido ao seu tamanho reduzido, a fabricação de um micro ou minitubo de calor é bastante diferente dos tubos de calor convencionais, principalmente 2/6

no que se refere à construção da estrutura capilar. Atualmente os tipos de estruturas capilares mais utilizadas são: telas, ranhuras e metais sinterizados.

A estrutura capilar presente em metais sinterizados tem alta capacidade de bombeamento capilar e mesmo parcialmente seco, podem funcionar de maneira efetiva, possuindo uma boa molhabilidade após o início da crise de secagem no evaporador. Porém apresentam baixa permeabilidade de líquido (as perdas de pressão por atrito são grandes).

Estrutura de telas tem um moderado bombeamento capilar, porém baixa permeabilidade. Não possuem boa molhabilidade após o início da secagem do minitubo. Apresentam custos de fabricação baixos, porém possuem restrições quanto à geometria de tubo empregada. Geralmente são utilizadas em tubos cilíndricos.

Ranhuras como meio capilar têm alta permeabilidade (baixas perdas de pressão), porém mediana capacidade de bombeamento capilar. Não funcionam quando o evaporador está parcialmente seco e não possuem uma boa molhabilidade após o início de secagem do tubo. Devido ao tamanho reduzido destes dispositivos, técnicas especiais para a sua fabricação foram desenvolvidas. Há, basicamente, três tipos de processos empregados para a sua fabricação: usinagem, extrusão e brasagem de fios com placas planas. O processo de extrusão é mais barato que a usinagem e consequentemente este processo é o mais empregado na fabricação de minitubos de calor. O processo de usinagem é uma tecnologia cara, pois envolve o uso de máquinas e ferramentas especiais, sendo que alguns processos utilizam ferramentas com pontas de diamantes. Uma nova tecnologia de fabricação de ranhuras através de conjunto de

fios entre duas placas de metal soldados por difusão surgiu como uma alternativa frente às demais tecnologias por apresentar custos modestos quando comparado com os processos tradicionais.

A soldagem por difusão no estado sólido é um processo de união no qual o coalescimento de uma junta entre as superfícies em contato é causada pela difusão atômica ativada pela temperatura e auxiliada pela pressão externa aplicada, que além de favorecer o intimo contato das superfícies é responsável pelas microdeformações localizadas (fluência). Neste processo a temperatura de fusão dos materiais envolvidos não é atingida e não se tem a presença de uma fase líquida. Tempo, temperatura e pressão são os três parâmetros fundamentais do processo.

Entre as principais vantagens da técnica, pode-se destacar o fato das uniões resultantes poderem apresentar microestrutura similar e essencialmente as mesmas propriedades do material de base, a minimização das distorções sem a necessidade de posterior usinagem ou conformação, além de não se encontrar defeitos típicos de um processo de fusão na junta. Cabe ressaltar, que quando comparada a brasagem, a soldagem por difusão no estado sólido tem como vantagem adicional o fato de não envolver um terceiro material, minimizando o problema de corrosão galvânica. A inexistência de uma fase líquida também é interessante por que evita a obstrução de canais pelo espalhamento descontrolado de líquido durante o processo de união.

A grande contribuição desta invenção está no desenvolvimento da tecnologia híbrida que utiliza as melhores características de dois tipos de estruturas capilares para maximizar a transferência de calor em um tubo de calor. Esta invenção utiliza como estrutura capilar a tecnologia fios-placas fabricadas através do processo de soldagem por difusão e a tecnologia sinterização de pó metálicos. Com isso, garante-se a combinação de estruturas com elevado bombeamento capilar, proporcionado pelo material sinterizado, com elevada permeabilidade, conseguida com a estrutura de ranhuras fios- placas.

A invenção e o processo de fabricação serão melhores descritos e

detalhados a partir das figuras em anexo, onde:

A FIGURA 1 representa os componentes dos minitubos de calor híbridos desenvolvidos.

A FIGURA 2 representa uma vista frontal da matriz desenvolvida para o processo de soldagem por difusão. A FIGURA 3 representa uma vista explodida da matriz para soldagem e os componentes do minitubo de calor.

A FIGURA 4 representa um esboço de um minitubo calor híbrido inserido em um microcomputador portátil.

A FIGURA 5 representa a seção transversal de um canal da parte

ranhurada do minitubo de calor.

O minitubo de calor híbrido (10) proposto na presente invenção é formado a partir de duas estruturas capilares, conforme pode ser visto na Figura 1. A primeira estrutura capilar ranhurada é formada a partir da junção de duas chapas de cobre finas e planas (1) e (6) recheadas com fios roliços e maciços de cobre (2). A segunda estrutura capilar é fabricada através do processo de sinterização de pó metálico, este é depositado na extremidade da chapa (6) para a formação de uma camada metálica porosa (4) após a sinterização.

A fabricação do tubo de calor (10) é realizada em duas etapas que serão

detalhadas a seguir. Para a construção da estrutura capilar formada por fios- placas, primeiramente, os fios de cobre (2) são formados a partir de pedaços de fios de cobre que são conformados de acordo com a geometria do minitubo (10). As bitolas dos fios de cobre utilizados foram de 1,3 e 1,7 mm de diâmetro, dependendo da aplicação, sendo que o espaçamento entre eles foi de aproximadamente 2 vezes o diâmetro do fio. As chapas de cobre (1) e (6) que formam a parte superior e inferior do minitubo (10) terão formato e dimensões conforme a disposição e o tamanho do dispositivo a ser resfriado. Antes de se realizar o processo de soldagem, é realizado um banho químico de 10 minutos em solução de 10% de ácido sulfúrico (H2SO4), visando à limpeza das partes que compõem o minitubo (10). Em seguida, as peças são colocadas em água corrente para a remoção do ácido.

Em seguida, os fios (2) são posicionados e pré-fixados a placa de cobre inferior (6) através do processo de soldagem a ponto. Este processo é necessário para o correto posicionamento das partes constituintes do minitubo de calor (10), antes de sua inserção sobre a matriz de aço inoxidável (8) e (9). Após a soldagem a ponto dos fios internos (2), um único fio de cobre (3) que contorna todo o minitubo é soldado e usado como lateral. Por último, um capilar de cobre (5) é posicionado e soldado na extremidade da placa (6) para o carregamento do dispositivo.

Um espaço pré-definido na extremidade da chapa (6) é deixado para a

colocação do pó metálico para posterior sinterização e formação da camada porosa metálica (4). O pó selecionado é então distribuído sobre a superfície extrema da chapa (6) de maneira a formar uma camada homogênea. Em seguida, todo o conjunto é posicionado sobre uma placa base de cerâmica, sendo levado ao forno para a sinterização.

Na segunda etapa, a placa superior de cobre (1) é posicionada sobre o conjunto: a placa inferior (6), com os fios (2) soldados a ela e a camada porosa metálica (4) sinterizada. Todo este conjunto é pré-soldado através da solda ponto e inserido em uma matriz de aço inoxidável (8) e (9), conforme Figura 2 e 3. Esta matriz é utilizada para a aplicação da carga de pressão necessária a soldagem por difusão por meio de torque em parafusos (7). Isto garantirá a formação das ranhuras no contato fio-placa, bem como promoverá a estanqueidade do tubo (10). No projeto do dispositivo de aplicação de pressão, levou-se em consideração a geometria dos tubos de calor, os coeficientes de expansão térmica linear e o módulo de elasticidade do cobre e dos parafusos de aço inoxidável utilizados para aplicação da carga. Um torque inicial é aplicado nos parafusos (7) do dispositivo durante a etapa de montagem, de forma que na temperatura de soldagem o efeito do torque e da dilatação térmica diferencial (tubo de cobre e matriz) resulte na carga desejada para a execução com sucesso da união. Nas duas etapas de soldagem, os parâmetros do processo (ciclo térmico e pressão) são idênticos.

Após a execução da última etapa, o capilar de carregamento (5) (ver Figura 1) ainda necessita ser brasado, pois não há uma pressão tão elevada no sentido longitudinal para promover a estanqueidade do minitubo. O minitubo de calor proposto pela presente invenção poderá ser melhor

compreendido a partir do seguinte exemplo, este não têm a intenção de limitar a invenção, mas somente de exemplificar algumas possíveis maneiras de concretizá-la.

Conforme a Figura 4, o minitubo de calor (10) poderá ser aplicado para o resfriamento de um microprocessador (12) utilizado em um microcomputador portátil (13). Os microprocessadores ou qualquer outro dispositivo eletrônico que gere calor são geralmente fixados a uma placa de circuitos impressos (14). Como a restrição de espaço nestes equipamentos é muito elevada, geralmente o sistema de dissipação através de aletas (15) fica posicionado em uma das extremidades do microcomputador (13), permitindo assim a entrada (16) e saída (17) de ar, porém em um local distante do processador (12). Deste modo, para se conectar de forma eficiente o processador (12) ao sistema de dissipação (15) usa-se um minitubo de calor (10), que possui alta condutividade térmica, devido ao processo de mudança de fase que ocorre em seu interior.

No minitubo de calor híbrido (10) a camada metálica porosa (4) está situada na seção do evaporador, onde o processador (15) está situado. No restante do tubo a estrutura de ranhuras obtidas pela tecnologia fios-placas é utilizada. Nela o líquido escoa por ação capilar pelos canais formados no contato chapa/fio (18), enquanto que o vapor escoa em contra fluxo pelo centro do canal (19) formado entre dois fios de cobre, conforme Figura 5. Com a combinação destas duas estruturas capilares o bombeado capilar do fluido de trabalho do condensador ao evaporador se torna mais efetivo. Água destilada é utilizada com fluido de trabalho em minitubos que equipam computadores portáteis. Além disso, a processo evaporativo é aumentado na medida em que ocorre um aumento da superfície de evaporação devido à presença da estrutura porosa metálica sinterizada (4). Desta forma, com esta nova tecnologia híbrida consegue-se otimizar o transporte de líquido, e os processos de evaporação e condensação, melhorando o desempenho térmico do minitubo de calor (10).

Claims (5)

Minitubos de Calor Híbrido

1.) "MINITUBOS DE CALOR HÍBRIDOS", caracterizado por compreender duas estruturas capilares: a) ranhuras, fabricadas através da tecnologia de soldagem por difusão de fios-placas, b) camada metálica porosa obtida pelo processo de sinterização.

2.) "MINITUBOS DE CALOR HÍBRIDOS", caracterizado pela junção de duas chapas metálicas finas cujo seu interior é constituído previamente por duas estruturas capilares internas distintas e um capilar externo fixado na sua extremidade.

3.) "MINITUBOS DE CALOR HÍBRIDOS", de acordo com a reivindicação -2, caracterizado pela primeira estrutura capilar ser obtida pela soldagem por difusão de fios metálicos às chapas e a segunda estrutura capilar ser obtida pelo processo de sinterização e formação de uma camada porosa metálica.

4.) "MINITUBOS DE CALOR HÍBRIDOS", de acordo com a reivindicação -3, caracterizado pelos fios metálicos serem previamente fixados sobre uma das chapas de uma extremidade até a sua região central e o depósito de uma quantidade de pó metálico sobre a região oposta aos dos fios metálicos.

5.) "MINITUBOS DE CALOR HÍBRIDOS", de acordo com a reivindicação -4, caracterizado pelo aquecimento da chapa para a sinterização e, após o resfriamento, a junção das chapas e formação dos capilares pela aplicação de uma determinada força ao conjunto.