• analisi di ottimizzazione
• controllo termico
• dimostrazione in orbita
• engineering
• ingegnerizzazione
• on-orbit demonstration
• optimization analysis
• pulsating heat pipe
• thermal management

Il presente lavoro si propone di dimensionare, costruire e testare un dispositivo Pulsating Heat Pipe (PHP) e la sua interfaccia termica, all’interno del contesto di una missione spaziale che prevede un satellite CubeSat per dimostrazione tecnologica in orbita. Il dispositivo oggetto della ricerca rappresenta una delle tecnologie da testare a bordo della missione EXCITE (EXtended CubeSat for Innovative Technology Experiments), asservendo, all’interno del satellite, al ruolo di controllo termico delle celle fotovoltaiche poste sulla faccia superiore, nominalmente in costante esposizione verso la luce solare. Il progetto parte da una dettagliata esplorazione della letteratura scientifica riguardante le PHP per applicazioni spaziali, con un focus particolare sui dispositivi a diametro capillare testati in posizioni orizzontali o in condizioni di microgravità rilevanti. Questo studio preliminare è fondamentale per orientare il processo di ottimizzazione, che segue una logica basata sull'analisi di Pareto. L'obiettivo di questa fase è comprendere i parametri tecnologici essenziali che guidano l'ottimizzazione e identificare intervalli di valori appropriati per le caratteristiche del dispositivo, in linea con le limitazioni e i requisiti della missione spaziale. In questo senso, viene ricercata una correlazione di tali parametri e delle geometrie descritte nei lavori esaminati, con le prestazioni dei dispositivi, al fine di impostare uno studio sistematico e scientifico del fenomeno. Il modello della PHP proposto si basa su una configurazione tubolare a serpentina piana, successivamente piegata in una forma a C richiesta per l'integrazione con il satellite. Il dispositivo ha un diametro interno di 1.1 mm e un diametro esterno di 2 mm, con 16 curve nell'evaporatore realizzate con un raggio di curvatura di 3 mm. Il processo di costruzione prevede l'uso di un tubo di rame, sagomato con l'ausilio di una dima, e fissato con supporti in PLA per garantire stabilità e precisione. L’interfaccia termica viene quindi dimensionata e realizzata per l’esperimento a terra, prevedendo due spreader per l’evaporatore e due per il condensatore, che, chiudendosi a sandwich tramite dei giunti bullonati, includono i canali della PHP, sui quali vengono posizionati rispettivamente due heater Ohmici ceramici per fornire potenza in ingresso e una liquid cold plate per la dissipazione del calore. Due giunzioni, una a T, l’altra a quattro vie, garantiscono rispettivamente lo svuotamento e il riempimento del dispositivo, e il montaggio di un trasduttore di pressione. Il fluido di lavoro utilizzato è SF-33 (HFO-1336mzz-Z), inserito con un rapporto di riempimento pari a 0.5. La test-cell realizzata viene sottoposta a test sperimentali a terra, in posizione orizzontale. È importante sottolineare che questi test hanno un'elevata rilevanza sperimentale, poiché diversi studi hanno dimostrato che i risultati ottenuti sono comparabili a quelli ottenuti in condizioni di microgravità. Per garantire la validità dei risultati, l'esperimento a terra viene preceduto da una simulazione, effettuata con il software COMSOL, utilizzando un modello semplificato della reale interfaccia termica. Il processo di simulazione permette di ottimizzare l'ingegnerizzazione dell'apparato sperimentale, ponendo solide basi per l'esecuzione dei test. La combinazione di analisi teoriche, ottimizzazione basata su criteri scientifici, e test pratici rappresenta un approccio completo e rigoroso per lo sviluppo e la valutazione del dispositivo PHP in condizioni rilevanti per applicazioni spaziali.

The present work has the purpose of dimensioning, building and testing a Pulsating Heat Pipe (PHP) device and its thermal interface, in the context of a space mission that foresees a Cubesat satellite for technology demonstration on orbit. The device, which is object of research, represents one of the technologies to test on board of the EXCITE mission (EXtended CubeSat for Innovative Technology Experiments), fulfilling, inside the satellite, the role of thermally controlling of photovoltaic cells put on its upper surface, nominally in constant exposure towards the sunlight. The project starts from a detailed exploration of the scientific literature regarding the PHPs for space applications, with a particular focus on capillary diameter devices, tested in horizontal position or in relevant microgravity conditions. This preliminary study is fundamental to direct the optimization process, which follows a Pareto’s analysis-based logic. The objective of this phase is to comprehend the essential technological parameters which guide the optimization and to identify ranges of values suitable for the device’s features, in line with space mission’s constraints and requirements. In this regard, a correlation of these parameters and described geometries with the performances of these devices is researched, in order to plan a systematic and scientific study of the phenomenon. The PHP design model is based on a tubular plane serpentine configuration, subsequently bent in a C-shape, required for integration with the satellite. The device has an internal diameter of 1.1 mm and an external diameter of 2 mm, with 16 curves at the evaporator made with a 3 mm curvature radius. The building process foresees the use of a copper tube, bent with the aid of a template and fixed with PLA supports to ensure stability and precision. The thermal interface is then designed and crafted for the ground experiment, consisting of two spreaders for the evaporator section and two for the condenser section, which enclose the PHP channels by closing one with another with bolted joints. On these spreaders two ceramic Ohmic heaters, to provide input power, and a liquid cold plate for heat dissipation, are respectively located. Two junctions, a T-type and a four-way, ensure respectively the vacuum and filling procedure of the device and the installation of a pressure transducer. The chosen working fluid is SF-33 (HFO-1336mzz-Z), inserted with a filling ratio of 0.5. The built test-cell is subjected to ground experiments, in horizontal position. It is worth underlining that these tests carry high experimental relevance, because several studies proved that the obtained results can be compared with those acquired in microgravity conditions. To validate the results, the ground experiment is anticipated by a simulation, conducted with COMSOL software, utilizing a simplified model of the real thermal interface. The simulation process allows to optimize the engineering of the experimental apparatus, setting strong bases for the test execution. The combination of theoretical analyses, scientific criteria-based optimization and practical tests represents a comprehensive approach for the development of the PHP device in relevant conditions for space applications.