Heat-pipes: Αρχές λειτουργίας τους.

**Candyman** · 02-07-2008, 12:50

* Φωτό: Λεπτομέρειες από δύο τυπικές ψύκτρες για CPU, με χρήση heatpipes (μία 100% χάλκινη και μία υβριδική, δηλαδή με χρήση αλουμινίου και χαλκού)

ΕΙΣΑΓΩΓΗ:
Όλοι γνωρίζουμε τις ψύκτρες με τεχνολογία heatpipe που πριν μερικά χρόνια μπήκαν δυναμικά στον χώρο του cooling. Αν και πολλοί γνωρίζουν την αρχή λειτουργίας τους, υπάρχουν πολλά πράγματα που ακόμη πολλοί δεν έχουν κατανοήσει και αυτό το κειμενάκι θα φανεί χρήσιμο.

ΤΙ ΑΚΡΙΒΩΣ ΕΙΝΑΙ ΤΟ HEATPIPE?
Το Heatpipe είναι ένας μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας βασισμένος σε ένα απλό φυσικό φαινόμενο, το οποίο φροντίζει ώστε να μεταφέρονται μεγάλα θερμικά φορτία από την μία πλευρά του (θερμή) στην άλλη (ψυχρή), με πολύ μικρή διαφορά σε θερμοκρασία μεταξύ των κρύων και ζεστών επιφανειών του.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ:
Ένα τυπικό heatpipe είναι βασικά ένας σφραγισμένος σωλήνας, συνήθως κατασκευασμένος από θερμοαγώγιμο υλικό (π.χ. χαλκός ή αλουμίνιο). Μέσα περιέχει μικρή σχετικά ποσότητα του "ψυκτικού υγρού" (όπως νερό, αιθανόλη, υδράργυρο, κ.α. ανάλογα με την χρήση που το θέλουμε) σε ένα στάδιο ημι-αέριας κατάστασης (κατάλυση χωρίς εξωτερικό καταλύτη) καθώς η πίεση εσωτερικά είναι ήδη αυξημένη, με το υπόλοιπο του σωλήνα να γεμίζεται με το ίδιο -αλλά σε εντελώς αερια κατάσταση ψυκτικό- σε "καθαρή" μορφή (χωρίς άλλα -τρίτα- αέρια).

Στο εσωτερικό του σωλήνα, υπάρχει μια ελικοειδής σχεδίαση που επιτρέπουν στο υγρό να επιστρέψει στην βάση όταν τελειώσει ο "κύκλος ψύξης".
Οι σωλήνες στο εσωτερικό τους έχουν επίστρωση από υλικό κατασκευασμένη με υπερθέρμανση μεταλλικής σκόνης (μέθοδος sintering).
Αν ο σωλήνας έχει συνεχή κλίση τότε η τελευταία παράμετρος δεν είναι απαραίτητη, γιατί το υγρό κυλάει ξανά στην βάση μόνο του. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται σωλήνας Perkins.

Τα heatpipes δεν έχουν καθόλου κινούμενα μέρη και δεν χρειάζονται κατ'επέκταση και συντήρηση. Όμως ένα μικρό ποσοστό από τα μη συμπυκνωμένα αέρια θα διαφύγει από διάφορα διάκενα του σωλήνα με αποτέλεσμα με το πέρασμα του χρόνου να πέφτει ελαφρώς η απόδοση τους, ιδιαίτερα όταν η πίεση του αερίου (του αερίου που περιλαμβάνεται μέσα στο σωλήνα) είναι χαμηλή, όταν δηλαδή δεν έχει θερμανθεί αρκετά ακόμα (αν και ακούγεται παράδοξο, με μια προσεκτική σκέψη θα δούμε ότι είναι απολύτως λογικό).

Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά μέσα εξαρτόνται από το φάσμα θερμοκρασιών που προορίζεται να δουλέψει μια ψύκτρα, και μπορεί να είναι από Ήλιο (για πολύ χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας) μέχρι υδράργυρο, Λίθιο και ασήμι (για τις πολύ υψηλές). Πάντως η πλειοψηφία των ψυκτρών με heatpipes χρησιμοποιούν αμμωνία ή νερό ως ψυκτικό.

Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η απόδοση κατά την μεταφορά θερμότητας. Η διαμεταγωγή τους είναι ταχύτερη από ότι έχει π.χ. ένα συμπαγές κομμάτι χαλκού. Η θερμότητα κινείται ταχύτερα, έχει σημειωθεί απόδοση ως και 230MegaWatt ανά τετραγωνικό μέτρο (χρησιμοποιείται στην αεροναυπηγική).
Ένας τυπικός έλεγχος επάνω στην συνολική πίεση του heat pipe μπορεί να επιτευχθεί ορίζοντας κατά την κατασκευή ένα συγκεκριμένο ποσό εσωτερικά του υγρού λειτουργίας. Ανάλογα την ποσότητα που θα υπάρχει θα έχουμε και την ανάλογη εφαρμογή εν ολίγοις.

ΕΠΙΠΕΔΑ ΗΕΑΤ-PIPES:

* Φωτό: CAD/CAM σχέδιο που δείχνει λεπτομέρεια επίπεδου heatpipe (πάχος: 500 μικρόμετρα) με συστημα επιστροφής υγρού, χαμηλού προφίλ (σημειώνεται με μπλέ χρώμα)

Τα επίπεδα heatpipes χρησιμοποιούν ίδια τεχνολογία όπως και οι θερμοσωλήνες (tubular heatpipes). Οι διαφορά είναι ότι σε αυτή την περίπτωση μιλάμε για ένα κέλυφος επίπεδο και σφραγισμένο ερμητικά, που περιέχει μέσα ένα "κλειστό" κύκλωμα κυκλοφορίας υγρού, και φυσικά το ψυκτικό υγρό.
Το βασικότερο τους πλεονέκτημα είναι ότι η θερμότητα απάγεται προς δύο κατευθύνσεις και όχι μία όπως με τους θερμοσωλήνες. Σε απλά Ελληνικά, αποδίδουν πολύ καλά συνδυάζοντας μικρό σχετικά μέγεθος. Ετσι μπορούμε να έχουμε ένα πολύ λεπτό επίπεδο heatpipe με απόδοση ίση με αυτή ενός τυπικού -αλλά σαφώς μεγαλύτερου σε διαστάσεις- tubular.
Εταιρίες όπως η Novel Concepts έχουν κατασκευάσει ψύκτρες τέτοιου τύπου με πάχος 500 μικρόμετρα (λεπτότερο από μια πιστωτική κάρτα). Ηδη αυτές χρησιμοποιούνται σε διάφορες χρήσεις π.χ. notebooks, surface mount κυκλώματα & πυρήνες, κ.λ.π.

* Φωτό: Kι' όμως, μπορεί να θυμίζει, αλλά ΔΕΝ είναι peltier! Είναι CAD/CAM σχέδιο από ψύκτρα με επίπεδο heatpipe, διανομέα θερμότητας (heatspreader) και ανεμιστήρα.

ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ:
Τα heatpipes χρησιμοποιούν "εξατμιστική ψύξη" (για να μεταφερθεί η θερμική ενέργεια από ένα σημείο σε ένα άλλο), και "υγροποίηση αερίου" ενός ψυκτικού υγρού. Η λειτουργία τους βασίζεται πολύ στο γεγονός της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της αρχής και του τέλους του heatpipe. Ένα heatpipe ΔΕΝ μπορεί να κατεβάσει την θερμοκρασία του πιο κάτω από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, αντιθέτως γενικά έχει την "τάση" να εξομειώνει την θερμοκρασία εσωτερικά με αυτήν του περιβάλλοντος (κυρίως στο κέντρο του όπου γίνεται η όλη διαδικασία υγροποίησης/αεριοποίησης).

* Φωτό: Σχέδιο με επεξήγηση της αρχής λειτουργίας heatpipe.

Απο κει και πέρα η αρχή λειτουργίας είναι λίγο πολύ γνωστή: Η μία άκρη θερμαίνεται. Εκεί βρίσκεται το ψυκτικό μας το οποίο εξατμίζεται και αυξάνει την εσωτερική πίεση. Η θερμότητα αποροφάται κατά την εξάτμιση.
Η πίεση μεγαλώνει και αναγκάζει ποσότητα του αδρανούς ακόμα "υγρού" να αεριοποιηθεί πλήρως μεταφέροντας ποσό της θερμότητας στην κρύα άκρη του heatpipe. Αντιθετα με ότι πιστεύεται ΠΟΤΕ δεν αεριοποιείται ΟΛΟ το ψυκτικό υγρό. Μέρος του παραμένει αδρανές και δουλεύει ως θερμικός καταλύτης, μεταφέροντας θερμικό φορτίο προς την "αέριοποιημένη" πλευρά του. Για να εξατμιστεί πλήρως ΌΛΟ, πρέπει να ξεπεραστεί το όριο του θερμικού φορτίου κατά πολύ και συνεχόμενα.

Όταν το αεριοποιημένο υγρό μεταφέρει το θερμικό φορτίο, κρυώνει (είτε μέσω ψύκτρας με fins, είτε και με την βοήθεια ανεμιστήρα) και υγροποιείται πάλι επιστρέφοντας στην βάση (είτε με την βοήθεια της βαρύτητας, είτε με "οδηγούς" μέσα στο heatpipe) για να ξεκινήσει νέος "κύκλος" ψύξης.

Μια ενδιαφέρουσα παράμετρος είναι το φάσμα θερμοκρασιών που είναι αποδοτικά τα heatpipes. Με μια πρώτη ματιά κάποιος θα νομίζει ότι π.χ. ένα heatpipe με νερό θα αρχίσει να αποδίδει όταν η ζεστή πλευρά (η βάση) φτάσει τους 100 βαθμούς Κελσίου με το νερό να βράζει να γίνεται αέριο και να μεταφέρει το θερμικό φορτίο, σωστά; ΛΑΘΟΣ!
Εξαρτάται σε πόση πίεση βρίσκεται ήδη μέσα στο heatpipe το αέριο (έιπαμε πως ο σωλήνας γεμίζεται με αδρανές υγρό και το υπόλοιπο κενό με αέρια μορφή του ίδιου υγρού, το οποίο λόγο χημικών διεργασιών αλλά και πίεσης δεν υγροποιείται ποτέ αλλά μένει αδρανές και αυτό).
Έτσι σε έναν θερμοσωλήνα το νερό (κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες*) θα μπορούσε να βράσει -θεωρητικά- και στους 0 βαθμούς Κελσίου, και η μεταφορά θερμικού φορτίου θα αρχίσει κανονικά εφόσον υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο άκρων του heatpipe. Παρομοίως, ένα heatpipe με νερό ως ψυκτικό μέσο μπορεί να δουλέψει και πάνω από 100 βαθμους Κελσίου αντίστοιχα. Είναι προτιμότερο όμως να αλλάξουμε το ψυκτικό με ένα κατάλληλότερο για το φάσμα θερμοκρασιών που θέλουμε να ψύξουμε, παρά να δημιουργούμε τις.. κατάλληλες συνθήκες που προανέφερα (*) χρησιμοποιόντας ένα ακατάλληλο ψυκτικό. Απλά συγκρατήστε ότι το σημείο βρασμού εξαρτάται αρκετά και από τον δείκτη της ατμοσφαιρικής πίεσης.

Διάφορα μέσα χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά, ανάλογα τις ιδιότητες τους σε σχέση με την εφαρμογή που θέλουμε. Δείτε τον παρακάτω πίνακα:

* Φωτό: Πίνακας με τα διάφορα χημικά που χρησιμοποιούνται για διαφορετικά φάσματα θερμοκρασιών.

ΧΡΗΣΕΙΣ:
Tα Heat pipes έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε διαστημικά σκάφη και διαστημικά λεωφορεία για περιπτώσεις που χρειαζόντουσαν ένα σύστημα ελέγχου της θερμοκρασίας, σε απομακρυσμένα και δυσπρόσιτα σημεία του σκάφους, και χωρίς να απαιτείται διαδικασία συντήρησης.

* Φωτό: Αναπαράσταση της διαδικασίας κίνησης υγρών & αερίων μέσα στο heatpipe

Σήμερα, τα Heat pipes χρησιμοποιούνται σε μοντέρνα συστήματα υπολογιστών, που οι απαιτήσεις για ψύξη αυξάνονται συνεχώς. Τυπικά χρησιμοποιούνται σε CPU και GPU σε συνδυασμό με κάποιο περαιτέρω σύστημα απαγωγής της θερμότητας (συνήθως ανεμιστήρα).

Επίσης χρησιμοποιούνται για να απάγουν θερμοτητα από αγωγούς πετρελαίου (η ροή & στροβιλισμός του πετρελαίου δημιουργεί τριβή και θέρμανση μέσα στον αγωγό).

ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ:
Τα Heat pipes πρέπει να "ρυθμιστούν" με βαση την χρήση και τις συγκεκριμένες συνθήκες αυτής. Η επιλογή του υλικού, το μέγεθος, το ψυκτικό, όλα έχουν επίδραση στην απόδοση του heatpipe.
Αν η θερμοκρασία λειτουργίας ξεπεραστεί αρκετά, όλα τα υγρά στο heatpipe θα αεριοποιηθούν μόνιμα. Σε αυτή την περίπτωση οι ιδιότητες του heatpipe χάνονται και πλέον η απόδοση θα πέσει στα επίπεδα μίας απλής μεταλλικής ψύκτρας! Καθώς τα περισσότερα heatpipes κατασκευάζονται απο χαλκό, ένα heatpipe που έχει υπερθερμανθεί θα συνεχίσει να απάγει θερμικό φορτίο της τάξης του 1/80 από την αρχική του απαγωγιμότητα!

* Bιβλιογραφία: Wikipedia.org, Metal-process, Che-resources, MIT educational institute.

Candyman (c) 2008 - Το κείμενο αποτελεί αναδημοσίευση -με αλλαγές ή/και διορθώσεις- παλαιότερου άρθρου μου, και διατηρώ όλα τα δικαιωμάτα πνευματικής ιδιοκτησίας.