Experimental study of thermal performance of AM heat pipe in adverse gravity

Heat pipes are an excellent device for heat transmission, it is used especially in applications where it is not possible to cool a component directly. In this study two types of wicks, one sintered and the other lattice-based, are both compared and developed using the "Selective Laser Melting" additive manufacturing technique. This research is part of a project for the European Space Agency (ESA) with the goal of constructing an electronic box where heat is dissipated by heat pipes that also must function in adverse gravity conditions. These heat pipes are made of AlSi10Mg and use ammonia as the working fluid. After experimentally determining the properties of the wicks under well-defined printing parameters, at temperatures around 85°C acetone was used as the working fluid in the testing phase of single heat pipes. Temperature variations along the heat pipe axis were recorded while varying both the inclination angles and power levels. The results show that sintered heat pipes are unable to function at negative inclinations due to their low permeability, which restricts circulation. On the other hand, lattice type heat pipes demonstrate better performance, maintaining low temperature gradients between the evaporation and condensation sections even at inclinations as steep as -20° for input powers exceeding 20 W.

Gli heat pipe sono un dispositivo eccellente per la trasmissione del calore in particolare in quelle applicazioni in cui non è possibile raffreddare direttamente un componente. In questo lavoro vengono sviluppati e messi a confronto due tipologie di wick, uno sinterizzato e l'altro di tipo Lattice, realizzati con la così detta tecnica di "Selective Laser Melting" di additive manufacturing. La ricerca è parte di un progetto ESA (European Space Agency) il cui scopo è costruire un box elettronico dove il calore è dissipato tramite heat pipes funzionanti anche a gravità avversa, realizzati in AlSi10Mg e sfruttanti l'ammoniaca come fluido di lavoro. Dopo aver determinato sperimentalmente le proprietà dei wick a parametri di stampa ben definiti, nella fase di test del singolo heat pipe è stato impiegato come fluido l'acetone per temperature nell'intorno di 85°C, acquisendo le variazioni di temperatura lungo l’asse al variare sia degli angoli di inclinazione che delle potenze. I risultati mostrano che gli HP sinterizzati non sono in grado di funzionare ad inclinazioni negative a causa di permeabilità troppo basse che limitano la circolazione, mentre quelli di tipo Lattice permettono prestazioni migliori mantenendo bassi gradienti di temperatura tra sezione di evaporazione e sezione di condensazione fino a -20° di inclinazione per una potenza in input superiore a 20 W.