ITTV20080145A1 - Sistema a tubo di calore oscillante a circuito chiuso in materiale polimerico - Google Patents
Sistema a tubo di calore oscillante a circuito chiuso in materiale polimericoInfo
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Description
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE
La presente invenzione riguarda un dispositivo di scambio termico costituito da un sistema a tubo di calore oscillante a circuito chiuso riempito da un fluido per dissipazione di energia termica proveniente da componenti con generazione calore e più in particolare un tubo di calore a circolazione pulsata in mate; polimerico flessibile in cui lo scambio termico è realizzato attraversi movimento delle bolle di vapore e di liquido del fluido presente ai suo interno. Li tendenza moderna nel campo dei dispositivi microelettronici ed optoelettronici vede un accresciuto livello d'integrazione ottenuto riducendo al minimo le dimensioni del dispositivo (incapsulamento ad alta densità) e migliorando le prestazioni del dispositivo (frequenza più elevata). Ciò comporta un incremento sia della dissipazione di potenza, sia della densità di potenza del dispositivo con una previsione di dissipazione del flusso termico locale fino a 1000 W/cm<2>, Un flusso termico così elevato pone una seria sfida ai le attuati tecniche di controllo termico destinate a garantire le prestazioni e l' affidabilità del dispositivo, mantenendo nel contempo temperature accettabili, in special modo nel campo dei semiconduttori. Una delle soluzioni più promettenti per i raffreddatori di semiconduttori è costituita dai tubi di calore, che offrono una migliore alternativa ai raffreddamento a liquido, a condizione che siano in grado di gestire i requisiti di flusso termico e di potenza. Il vantaggio dell’impiego del tubo di calore consiste nella possibilità di trasportare grandi quantità dì calore attraverso sezion di area ridotta. II tubo di calore pulsante (PHP) è una delle particolar configurazioni di tubo di calore (HP). caratterizzato da un disegno molto semplice e da una veloce risposta termica. Un tipico PHP è costituito da un tubo a serpentina piana di dimensioni capillari con molte curve a “U”, e con gli estrem collegati (a formare un circuito chiuso) come mostrato in Fig.l . A differenza di un tubo di calore di tipo tradizionale, non si ha all’interno di questo tubo alcuna struttura porosa. 11 trasporto delle bolle di vapore e liquido è determinato dalle pulsazioni termoindotte di pressione/densità all’ interno del dispositivo senza che il suo funzionamento richieda l' applicazione di alcuna forza meccanica esterna A partire dalla fine degli anni '90, le caratteristiche operative e i meccanismi PHP sono stati oggetto di ampi studi e questa tecnologia ha trovato via applicazione in un numero crescente di campi. Si consideri a titolo esemplificativo che la tecnologia PHP è stata impiegata per il raffreddamento dei dispositivi avionici, con una significativa riduzione della resistenza termica; tale tecnologia utilizza i sistemi descritti nei Brevetti statunitensi n. 4.921.041 e 5.697.428 (Akachi) e nel Brevetto statunitense n. 6.672.373 (Smymov). Il tubo di calore pulsante di tipo tradizionale presenta tre difetti principali: (1) è realizzato con tubi di metallo rigido a sviluppo rettilineo ed è quindi privo di flessibilità in sede d’installazione; (2) l’impiego di un tubo capillare metallico (generalmente di rame) in un tubo di calore pulsante si traduce in una maggiore onerosità in termini di costi e in un maggior peso; (3) la presenza di un tubo capillare metallico vulnerabile ai processi di ossidazione e quindi al degrado dei materiali per effetto della corrosione. Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un PHP di tipo avanzato, in cui il tubo sta in materiale polimerico. La presente invenzione riguarda un sistema di gestione dell'energìa termica in grado di instaurare condizioni di efficienza di funzionamento di componenti elettronici. Di conseguenza, l' obiettivo della presente invenzione consiste nel fornire un dispositivo di scambio termico in cui l unità di dissipazione termica e l' unità di assorbimento termico siano collegate da una pluralità dì tubi capillari polimerici flessibili. Il dispositivo è caricato con un fluido di lavoro condensabile. Conformemente aH’obiettivo principale della presente invenzione, si fornisce un dispositivo TuCOPoC munito di tubo capillare polimerico per esempio ad elevata conducibilità termica; il trasporto del calore è realizzato mediante assorbimento termico da una sorgente termica nell'unità di assorbimento termico, vaporizzazione e condensazione di un fluido di lavoro e dissipazione temiica verso un deposito freddo di calore, nella parte di dissipazione termica del dispositivo. I tubi capillari costituenti l'unità di dissipazione sono sagomati in forma di serpentina o a zigzag. L’unità di assorbimento termico può essere foggiata secondo una qualsiasi forma desiderata in vista di un agevole montaggio a ima sorgente termica, grazie alla flessibilità del dispositivo. Le unità di assorbimento e di dissipazione termica, nonché i tubi capillari polimerici potrebbero essere collegati gli unì agli altri in forma di pannello termico a circolazione pulsata (TuCOPoC) di Fig. 2. Quest’ ultima soluzione comporta una interessante e importante riduzione delle dimensioni del dispositivo di scambio termico. Conformemente alla concezione di cui sopra, un fluido di lavoro - quale alcol, idra fluorocarburi (HFC), acqua, ammoniaca, ecc., o miscele di tali sostanze, avendo riguardo per la compatibilità chimica tra polimero e liquido — viene introdotto nell’unità di assorbimento termico, nell’unità di dissipazione termica e nei tubi capillari polimerici di collegamento. Prima dei funzionamento, l’effetto capillare determina una distribuzione per tratti del fluido di lavoro, con segmenti di liquido alternati a segmenti di vapore. Quando il TuCOPoC riceve calore nella zona di assorbimento termico, i gradienti termici danno luogo a perturbazioni di pressione di natura spazio-temporale in conseguenza di fenomeni di passaggio di stato (generazione e sviluppo di bolle nell’evaporatore e loro simultaneo collasso nel condensatore). La generazione e il collasso di bolle agiscono come elementi di pompaggio per il trasporto dei tappi liquidi intrappolati in un complesso regime di moto comprendente modalità oscillatorie, traslatorie e vibratorie, una diretta conseguenza dell’associazione termo-idrodinamica di fluttuazioni di pressione/temperatura con la distribuzione della frazione di vuoto. Ciò determina lo scambio termico, sostanzialmente come combinazione di porzioni di ca sensibile e latente. Nell’ invenzione di cui si tratta, il termine “calore” indic potenza termica e comprende sia l’energia da una fonte calda, sia l’energia raffreddamento o frigorifera. Per ridurre la resistenza termica tra gli elementi termogeneratori e il fluido termovettore (fluido di lavoro) del TuCOPoC può venire impiegato uno speciale polimero ad elevata conducibilità termica caricato con filler, ad esempio a base di carbonio. Molti aspetti della presente invenzione potranno essere meglio compresi facendo riferimento ai disegni che seguono. I componenti riportati nei disegni non sono necessariamente rappresentati in scala, essendo piuttosto obiettivo precipuo quello di offrire una chiara illustrazione dei principi che sottendono la presente invenzione. Nei disegni, inoltre, i riferimenti numerici hanno la funzione di designare le parti corrispondenti nelle varie viste: la F1G. 1 mostra un tubo di calore pulsante con singolo tubo in materiale polimerico conforme a una realizzazione preferita della presente invenzione; la FIG. 2 presenta un tubo di calore pulsante di forma Ìbrida conforme a una realizzazione preferita della presente invenzione; la FIG. 3 offre una vista in sezione trasversale della porzione di assorbimento termico del TuCOPoC di FIO.
2; la FIG. 4 mostra un pannello piano a tubo di calore pulsante conforme a una realizzazione preferita della presente invenzione; la FIG. 5 presenta una vista ingrandita delle porzioni terminali del dispositivo TuCOPoC di FIG. 4. La FIG. 1 mostra un esempio dell' apparato TuCOPoC conforme a una realizzazione preferita dell'invenzione in oggetto. L'apparato TuCOPoC è costituito da una serpentina, un tubo capillare flessibile allungato in materiale polimerico 1 e da una quantità predefinita di fluido di lavoro bifase condensabile 2 introdotto nel tubo polimerico allungato attraverso un raccordo a T 3. La quantità di liquido di lavoro introdotta all' interno del dispositivo è approssimativamente pari ai 30-60% del volume interno totale del dispositivo TuCOPoC. Il tubo o i tubi capi flessibili allungati (1 ) di FIG 1 sono realizzati con polimeri caricati con filler elevata conducibilità termica, i quali possono assumere forma sferica, cilindrica di piastra, feltro o fibra o loro combinazioni. Esso può essere quindi curvato nella forma richiesta per mezzo di un’idonea curvatrice (non raffigurata). Il tubo capillare allungato 1 è curvato in una forma desiderata, comprendente una pluralità di zone di assorbimento e di dissipazione del calore 4, 6 ricavate su parti predefinite del medesimo e da una pluralità di porzioni adiabatiche 5 ricavate tra le zone 4 e 6. La zona di assorbimento termico 4 è a diretto contatto con un elemento termogeneratore (non raffigurato) e può essere disposta in modo da alternarsi alla zona di dissipazione 6. Le estremità del tubo polimerico sono col legate ermeticamente tra loro mediante un raccordo a T, venendo così a formare un circuito chiuso per il passaggio del flusso di fluido di lavoro. Con riferimento alla F1G. 2, la struttura del dispositivo TuCOPoC può avere forma ibrida, caratterizzata da zone di assorbimento termico (3) cessione termica (5) del recipiente TuCOPoC realizzate in materiale rigido ad elevata conducibilità termica, ad esempio metallo o carbonio, costituite da tubo allungato come da FIG.
1 o sagomate in forma piana (FIG. 3), e da una zona di trasporto del dispositivo TuCOPoC, realizzata in materiale polimerico flessibile, elastico, a bassa conducibilità termica, presentante un elevato angolo di contatto tra la parete del tubo e i fluidi di lavoro. L’angolo di contatto tra la parete polimerica solida del dispositivo TuCOPoC e il fluido di lavoro è superiore al 30%. Con riferimento alla FIG. (4), viene mostrata una vista strutturale schematica della realizzazione preferita della presente invenzione, in cui P involucro del tubo di calore pulsante è realizzato con film polimerici ottenuti per estrusione, contenenti capillari vuoti, multipli, paralleli e continui correnti lungo la loro lunghezza, in cui la zona assorbimento termico è a diretto contatto con gli elementi termogeneratori (n raffigurati), mentre la zona di dissipazione termica può essere fatta aderire al piastra per potenziare la cessione di calore ai fluidi di raffreddamento (atmosfera).
1 tubi polimerici sono chiusi in corrispondenza di entrambe le estremità, con la possibilità per il fluido di lavoro di percorrere nella serpentina grandi distanze. Facendo ora riferimento atta FIG. 5, viene presentato lo schema del flusso delle bolle di vapore e dei tappi liquidi tra le zone di assorbimento e di dissipazione termica del dispositivo TuCOPoC mostrato in FIG. Sebbene nella precedente descrizione siano state esposte numerose caratteristiche e vantaggi della presente invenzione, oltre a dettagli della struttura e della funzione dell’invenzione, resta tuttavia inteso che la configurazione oggetto di rivelazione viene offerta a puro titolo illustrativo, essendo possibili modifiche di dettaglio, specialmente per quanto riguarda Forma, dimensioni e disposizione delle parti nei limiti dei principi dell’ invenzione, nella misura massima indicata dall'ampio, generale significato dei termini in cui sono espresse le rivendicazioni qui riportate.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Un tubo di calore pulsante a circuito chiuso in materiale polimerico (TuCOPoC) comprendente: un tubo capillare polimerico di forma allungata, non uniforme e non omogeneo, costituito da una pluralità di porzioni di captazione della potenza termica situate su una prima parte predefinita del tubo allungato e da una pluralità di porzioni radianti (a guisa di condensatore) situate su una seconda parte predefinita del tubo allungato, dette porzioni di captazione e di dispersione del calore essendo disposte in modo alternato sul tubo allungato; detto tubo allungato contenente un fluido di lavoro e detto fluido di lavoro sospinto in modo da scorrere tra te porzioni di captazione e di irradiazione del calore attraverso tubi capillari polimerici.
- 2. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che il tubo allungato presenta una pluralità di porzioni curvate di raggio prestabilito formanti un recipiente a circuito chiuso sagomatigl zigzag o a serpentina avente forma piana, cilindrica o una combinazione delle forme dì cui sopra, le porzioni curvate costituenti porzioni di cambio della direzione di flusso del fluido di lavoro.
- 3. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che l’involucro del tubo di calore pulsante è realizzato con film polimerici ottenuti per estrusione, contenenti capillari vuoti, multipli, paralleli e continui, correnti lungo la loro lunghezza e chiusi in corrispondenza di entrambe le estremità, con la possibilità per il fluido di lavoro di percorrere grandi distanze nel tubo capillare a serpentina.
- 4. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione I, caratterizzata dal fatto che il fluido termovettore è costituito da un fluido in transizione di fase sostituibile e caricabile.
- 5. Una struttura dei dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il tubo allungato è costituito da polimeri ad elevata conducibilità termica, come polìsolfbni e compositi epossidici.
- 6. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione 1 e 5, caratterizzata dal fatto che il tubo allungato è costituito da polimeri caricati con filler ad elevata conducibilità termica, di natura organica o inorganica.
- 7. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione 6, caratterizzata dai fatto che i filler possono assumere forma sferica, cilindrica, di piastra, feltro o fibra o loro combinazioni.
- 8. Una struttura dei dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione<6>caratterizzata dal fatto che la percentuale dì filler caricata nel tubo polimerico è diversa nelle zone di assorbimento/cessione termica del dispositivo TuCOPoC nella zona adiabatica, V
- 9. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazioni 5, 6 e 8, caratterizzata dal fatto che parte della superficie interna del tubo presenta un rivestimento che riduce la bagnabilità della zona adiabatica del dispositivo TuCOPoC.
- 10. Una struttura del dispositivo TuCOPoC come da Rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che la porzione di assorbimento termico del recipiente TuCOPoC presenta forma piana, mentre le altre porzioni hanno forala cilindrica.
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