Nos últimos anos, diferentes pesquisadores estudaram a viabilidade do uso de tubos de calor e termossifões para promover o resfriamento de sistemas eletrônicos aviônicos. Algu- mas dessas investigações são apresentadas nesta seção.
Tecchio et al. [45] investigaram o funcionamento de um termossifão em circuito cujo evaporador era compartilhado por dois condensadores, um termicamente acoplado à fuselagem do avião e outro acoplado ao sistema de ar condicionado de uma aeronave. O principal objetivo desse estudo era avaliar a viabilidade de se usar a fuselagem da aeronave como o sumidouro de calor dos componentes eletrônicos. Isso porque durante voos, a superfície externa da aeronave pode atingir temperaturas de até -50 ºC, que aliadas às altas velocidades de cruzeiro, resultam em coeficientes de transferência de calor ideais para dissipar o calor proveniente dos eletrônicos dentro de aeronaves. O termossifão em circuito proposto pelos autores foi testado em um voo, no qual a temperatura do evaporador foi mantida sempre abaixo de 41 ºC, mesmo para a taxa de transferência de calor máxima de 0,85 kW. Os autores concluíram que o termossifão funci- onou bem mesmo quando exposto a temperaturas negativas, situação em que o fluido de traba- lho se encontrava congelado no condensador. Além disso, as manobras da aeronave e as mu- danças de altitude não afetaram a operação do termossifão.
Simas [7] projetou um evaporador plano para ser incorporado ao termossifão em cir- cuito desenvolvido por Tecchio et al. [45]. O evaporador plano era composto de dez placas quadradas de cobre (190 x 190 mm), sendo que as placas internas foram fabricadas com canais que criavam o espaço interno ocupado pelo fluido de trabalho no evaporador. O meio poroso do evaporador foi uma das contribuições do trabalho, sendo composto por cinco camadas de tela de cobre, unidas à parede interna do evaporador por meio do processo de solda ponto. As dez placas de cobre foram unidas pelo processo de união por difusão, formando assim o evapo- rador plano. Em testes, o sistema se provou eficiente no resfriamento de fontes de calor distri- buídas e concentradas. Na potência máxima testada, que foi de 450 W, a temperatura do eva- porador foi mantida abaixo de 45 ºC. Outro aspecto interessante dessa pesquisa é que a presença do meio poroso suprimiu o fenômeno de geyser boiling observado no sistema não assistidos pela estrutura capilar no evaporador.
Sarno et al. [8] testou um sistema de resfriamento passivo para os componentes eletrô- nicos responsáveis pelos sistemas de entretenimento de bordo (áudio, vídeo, internet, etc.) em aeronaves comerciais. Esses componentes são instalados em pequenas “caixas”, que são nor- malmente posicionadas embaixo de cada assento de passageiro. O sistema de resfriamento con- sistia em um tubo de calor e um termossifão em circuito, o primeiro conectava os componentes eletrônicos às paredes da caixa e o segundo conectava as paredes da caixa à estrutura do assento de alumínio. Portanto, o sistema de resfriamento transferia o calor dos componentes até a es- trutura do assento de alumínio, onde o calor era finalmente dissipado por convecção natural
para o ambiente da aeronave. A implementação do sistema passivo de resfriamento permitiu duplicar a potência dissipada pelos componentes eletrônicos.
Reyes et al. [5] estudaram o comportamento térmico de uma câmara de vapor ( 190 x 140 x 15 mm) destinada ao controle térmico de componentes aviônicos. A câmara de vapor foi instalada na orientação vertical, em um gabinete para dissipar o calor de um componente espe- cífico de uma PCI. Um dissipador de calor convencional, que possuía aletas de alumínio e di- mensões similares às da câmara de vapor, também foi testado para fins de comparação. Os resultados mostraram que a câmara de vapor foi 30% mais eficiente que o dissipador metálico quando o calor era dissipado por convecção natural. Além disso, a implementação da câmara de vapor permitiu a expansão da carga térmica do componente eletrônico em 25 W.
Jones e Chen [11] estudaram formas de otimizar a eficiência da remoção de calor das paredes de um gabinete de aviônicos. Os autores embutiram uma câmara de vapor comercial (122 x 87 x 3 mm) em uma das paredes do chassi para uniformizar a distribuição de temperatura e eliminar pontos quentes, melhorando assim a área efetiva de transferência de calor do gabi- nete. O esquema da proposta dos autores é mostrado na Figura 2.20. A implementação da câ- mara de vapor, em contraste com o chassi de alumínio, permitiu a redução em 65% da vazão mássica de ar necessária para resfriar o chassi.
Figura 2.20 Câmara de vapor acoplada ao chassi na bancada experimental, adaptado de Jones e Chen [11].
Slippey et al. [46] estudaram a viabilidade do uso de fibra de carbono para a fabricação de gabinetes aviônicos, pois o polímero tem resistência mecânica semelhante ao aço e densi- dade 75% menor que a do aço. Em contrapartida, a condutividade da fibra de carbono é quarenta vezes menor que a do alumínio. Para minimizar a característica térmica negativa do polímero,
tubos de calor de cobre foram embutidos em um chassi para criar caminhos térmicos mais fa- voráveis, de menor resistência térmica, entre os componentes e o exterior da caixa. O gabinete com tubos de calor embutidos nas paredes é mostrado na Figura 2.21.
Figura 2.21 Gabinete de fibra de carbono com tubos de calor embutidos nas paredes [46].
Campo et al. [47] propuseram o uso de tubos de calor para melhorar a eficiência da remoção de calor das paredes de um gabinete aviônico. A proposta dos autores consistia em uma chapa de alumínio com tubos de calor embutidos, que seria parafusada no chassi de um gabinete, conforme mostra a Figura 2.22. Simulações numéricas foram usadas para validar essa ideia. Os resultados revelaram que a temperatura máxima do gabinete com tubos embutidos foi aproximadamente 24 ºC menor que a do chassi padrão de alumínio.
Figura 2.22 Esquema da chapa com tubos de calor embutidos acoplada à parede de um gabinete, adaptado de Campo et al. [47].
Cai et al. [48] acoplaram tubos de calor pulsantes (pulsating heat pipes - PHP) nas paredes de um gabinete de componentes eletrônicos para aeronaves, criando caminhos de baixa resistência térmica entre as placas de circuito impresso e o ambiente externo, como pode ser visto na Figura 2.23. Os PHPs reduziram significativamente a diferença máxima de temperatura encontrada nas paredes do gabinete, sendo que, em algumas potências testadas essa diferença diminuiu pela metade, em comparação com as diferenças encontradas no teste com as paredes tradicionais de alumínio.
Figura 2.23 Tubos de calor pulsantes (PHP) acoplados no chassi de um gabinete de componentes ele- trônicos: a) vista geral e b) detalhe da combinação chassi e PHP; adaptado de Cai et al. [48].
Em resumo, nas tentativas realizadas de otimizar a remoção de calor das paredes de um gabinete eletrônico utilizando a tecnologia de tubos de calor, dois tipos de tubos foram empregados: câmaras de vapor [11,49] e tubos de calor convencionais embutidos em placas de alumínio [46–48]. De fato, entre os tubos de calor planos, as câmaras de vapor atendem o re- quisito de dissipar calor de múltiplas fontes concentradas, mantendo as temperaturas de opera- ção baixas e a distribuição de temperatura uniforme em toda superfície do condensador.