ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM DIODO TÉRMICO PARA APLICAÇÕES ESPACIAIS

F. Piovezan, F. H. Milanez e M. B. H. Mantelli.

Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, P.O. Box 476, Campus Universitário, Trindade, Florianópolis - SC, Cep.: 88040-900.

Palavras-chave: Diodo Térmico, Resistência Térmica de Contato, Jateamento.

Resumo

O Núcleo de Controle Térmico de Satélites (NCTS), do Departamento de Eng. Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), desenvolve pesquisas na área de controle térmico de satélites desde 1991.

A função de um projeto térmico de um satélite é garantir que cada um dos equipamentos que compõe a carga útil do satélite opere dentro da sua faixa ideal de temperatura. Um dos equipamentos mais utilizados para controle de atitude de satélites são os sensores Infra-vermelho, que operam a temperaturas criogênicas (~100K). Por outro lado, a temperatura média da estrutura do satélite está na faixa de 300K. Como os sensores de radiação são fixos à estrutura do satélite, a diferença de temperatura entre os dois gera um fluxo de calor que é prejudicial à operação do sensor. O NCTS está desenvolvendo um dispositivo, chamado diodo térmico, para minimizar este fluxo de calor.

Além de proporcionar uma boa fixação do sensor à estrutura do satélite, o diodo térmico fornece uma alta resistência térmica à transferência de calor por condução entre os dois. Um esquema do Diodo Térmico e seu mecanismo de atuação é mostrado na Figura 1. Ele consite basicamente de uma haste roscada (Titânio), duas porcas (Aço Inox) e um disco (Aço Inox) com um furo central. Uma porca é fixa no sensor, enquanto a outra é fixa na estrutura do satélite. O disco é colocado entre as porcas formando um "sanduíche". A montagem inicial é feita à temperatura ambiente, onde é dado um torque de aperto as porcas para conferir ao sistema uma rigidez mecânica que resista às vibrações do lançamento do satélite. Quando o satélite atinge a sua órbita definitiva, o sensor é resfriado à sua temperatra de operação. A contração diferencial da haste e do disco durante o resfriamento faz com que haja o desacoplamento do diodo, provocando um aumento em sua resistência térmica [K/W].

Neste trabalho se realizou o estudo experimental do diodo térmico, desde a sua fabricação até o seu funcionamento. Foi utilizado como comparação o modelo teórico unidimensional desenvolvido por Milanez (1999).

Testes para medição da condutividade térmica dos metais usados na fabricação do diodo teve que ser realizado. Além disso, foi necessária a preparação cuidadosa das superfícies de contato (lapidação e jateamento com esferas de vidro) e o levantamento da curva de Torque X Carga.

Uma bancada experimental para alto vácuo foi utilizada para reproduzir o ambiente espacial. O diodo térmico foi montado sobre uma placa fria. Um aquecedor elétrico de pequena espessura e com diâmetro igual ao do diodo térmico foi colado com pasta térmica sobre o diodo. As temperaturas ao longo do diodo foram medidas usando termopares. Para diversos níveis de potência aguardou-se o sistema atingir o regime permanente para fazer-se a aquisição das temperaturas. O valor da quantidade de calor Q[W] fornecida é obtido através do produto da tensão pela corrente do aquecedor elétrico

Realizados os experimentos, foi verificado um gráfico que compara o modelo experimental e o modelo analítico para o diodo térmico. Pode-se observar esse gráfico na Figura 2. Como pode-se ver neste gráfico, a comparação entre teoria e experimentos é boa. Para T_m > 130K os modelos teóricos superestimam os valores medidos. Por outro lado, para T_m < 130K a teoria subestima os valores experimentais. Portanto observa-se o comportamento geral da resistência térmica do diodo [K/W] com a temperatura [K] é previsto pela teoria, incluindo o desacoplamento do sistema.

Com esse trabalho foi possível concluir que o processo de fabricação do diodo térmico e os testes experimentais realizados foram adequados, dada a boa comparação entre a teoria e os experimentos. O processo de lapidação se mostrou eficiente para correção de erros de planicidade que surgem dos processos de fabricação, é fundamental para o controle geométrico das superfícies em contato. Portanto o processo de lapidação será usado em trabalhos futuros. O jateamento com esferas de vidro se mostrou muito eficiente no sentido de conferir uma rugosidade controlada às superfícies de contato.

Agradecimentos: Os autores agradecem ao CNPq pelo suporte financeiro correspondente à bolsa de Iniciação Científica.

Referências Bibliográficas:

-Milanez, F. H. e Mantelli, M. B. H., "Desenvolvimento de um Diodo Térmico para Aplicações Espaciais", Dissertação de Mestrado, UFSC, 1999.
-Milanez, F. H. e Mantelli, M. B. H., "A New Passive Heat Switch Conception For Space Applications", 33TH National Heat Transfer Conference, Albuquerque, NM, 1999a.
-Mantelli, M.B.H. e Yovanovich, M.M., "Compact Analytical Model for Overall Thermal Resistance of Bolted Joints", International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.41, No. 10, pp. 1255-1266, 1998.