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DjRudy

[Guida] Cosa sono e Come Funzionano le HEAT-PIPES

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CHE COSA SONO LE HEAT PIPE?

 

La tecnologia dell'Heat Pipe, letteralmente "condotto termico", è stata usata in un'ampia varietà di campi che variano dall' aerospaziale alle applicazioni industriali e fornisce eccellenti benefici in termini di miglioramento del trasferimento termico per il raffreddamento passivo.

 

Si tratta di un tubo, generalmente in rame, chiuso alle estremità, al cui interno si trova una piccola quantità di un liquido, detto “liquido di lavoro” al quale è demandata la funzione di trasferire il calore da un’estremità all’altra del tubo stesso. All’interno del tubo, come liquido di lavoro, può essere utilizzato un componente molto volatile, tipo etanolo, o anche semplice acqua distillata. Le pareti interne del tubo sono rivestite da una struttura microcapillare che serve a spostare il liquido da un estremo all'altro anche contro la gravità. In termini di semplicità, proviamo ad immaginare uno stoppino che, se immerso ad una estremità in un liquido, assorbe il liquido stesso fino all’estremità opposta

Prima della chiusura ermetica di questi tubi, viene introdotto il liquido in uso, fino a saturare la struttura spugnosa interna, dopo di che il liquido viene portato a temperatura di evaporazione, rendendo l’aria all’interno del tubo satura dei vapori del liquido stesso. Dopo la chiusura, la pressione interna si stabilizza a quella di vapore del liquido alla temperatura ambiente, ottenendo una pressione interna del tubo inferiore a quella atmosferica.

 

 

COME FUNZIONANO?

 

Il principio di funzionamento è piuttosto semplice. Il calore prodotto dal dispositivo da raffreddare passa alla superficie del dissipatore, a contatto con il dispositivo stesso e si trasmette anche al tubo della heat pipe. Il liquido all’interno del tubo a sua volta si scalda ed evapora e, come la chimica ci insegna, evaporando assorbe una certa quantità di calore. Il calore quindi viene assorbito dal liquido che passa allo stato di vapore e sottratto alla superficie metallica del tubo e, indirettamente, alla superficie dissipante a contatto del dispositivo da raffreddare.

 

Il vapore si sposta poi all’interno del tubo e, di fatto, trasporta il calore assorbito nella parte opposta del tubo stesso che, a sua volta è a contatto con la parte del dissipatore in cui solitamente sono presenti numerose lamine metalliche (in rame o alluminio). La superficie di contatto piuttosto ampia fa sì che il calore del vapore, trasmesso a questa parte del tubo, venga a sua volta assorbito da dette lamine (che lo disperdono ulteriormente nell’aria in modo passivo o con l’ausilio di una ventola). Il vapore, perdendo calore (assorbito dal sistema tubo-lamine-aria), si condensa e ritorna allo stato liquido. Nei tubi installati verticalmente la condensa del liquido ricade per gravità alla base del tubo, in quelli installati orizzontalmente (quasi tutti i dissipatori per le CPU sono così) il liquido viene assorbito dalla parete interna del tubo e quindi trasportato per capillarità al capo opposto del tubo stesso.

 

In pratica il sistema consente di spostare il calore da un punto del sistema verso zone in cui il calore stesso può essere facilmente dissipato, con una notevole efficienza: si parla infatti di trasporto del calore con efficienza anche due ordini di grandezza maggiore di quello ottenibile con qualunque metallo. Per di più, in assenza di parti meccaniche in movimento, il sistema è ideale per spostare notevoli potenze verso zone in cui è più facile lo smaltimento, distanti molte decine di centimetri o anche alcuni metri. Le sezioni disponibili per i tubi che compongono dette heat pipe vanno da frazioni di millimetro fino a tubi dell’ordine di 10 cm di diametro.

 

Le heat pipe, nate per mercati di nicchia, già da anni sono usciti dal loro settore specifico e attualmente è relativamente semplice la realizzazione anche di geometrie complesse o di semplici dispositivi come i dissipatori delle CPU o dei chip delle schede madri..

 

 

 

NOTA

 

Qualcuno potrebbe obiettare che usando l’acqua all’interno dei tubi, questa avendo una temperatura di ebollizione intorno ai 100 gradi, non apporta beneficio in quanto non evapora alle temperature di esercizio dei processori.

 

E’ bene sapere che la temperatura di ebollizione/evaporazione di un qualsiasi liquido è sempre in relazione alla pressione dell’ambiente in cui si trova: l’acqua bolle a 100 gradi alla pressione atmosferica normale, ma in un ambiente a pressione ridotta la temperatura alla quale passa allo stato di vapore è inferiore e in diretta relazione alla pressione stessa. Nei tubi delle heat pipe la pressione è molto ridotta e porta la temperatura di evaporazione a pochi gradi sopra lo zero.

 

DjRudy & MM

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Nei tubi delle heat pipe la pressione è molto ridotta e porta la temperatura di evaporazione a pochi gradi sopra lo zero.

DjRudy

 

ottima guida informativa dj!! unica cosa: non penso che l'acqua dentro l'heat pipe evapori a pochi gradi sopra lo zero altrimenti non si avrebbero significativi vantaggi. ovvero se evaporasse a 5gradi diciamo avremo che a Tamb l'acqua sarebbe giá tutta evaporata e quindi addio trasporto di calore... non ho dati certi peró penso sia ragionevole supporre un Tevap di 40/45gradi circa cosí da far lavorare corettamente il sistema con temperature accettabili! :nonno:

per il resto ottima :clapclap::clapclap:

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No, è giusto perché stiamo parlando di pressione ridotta, ma al tempo stesso di ambiente saturo di vapore, quindi i parametri cambiano un po'

Oltre tutto la questione dell'evaporazione è un qualcosa che deve avvenire praticamente di continuo per garantire una certa efficienza, altrimenti l'effetto non è rilevante

Non è che appena comincia l'evaporazione, subito la temperatura si abbassa di diversi gradi

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confermo da Ing. che l'acqua evepora prima a pressioni piu' basse....vedi fenomeno della cavitazione in idraulica all'interno delle tubazioni....;)

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Credo comunque sia necessaria una precisazione: la guida spiega il principio di funzionamento delle Heat Pipe in generale e non solo nel particolare utilizzo dei disssipatori per CPU

Infatti la tecnologia è nata per altre applicazioni, in particolare viene ampiamente applicata nei pannelli solari

Magari nei dissipatori da CPU vengono usati liquidi più volatili dell'acqua ;)

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Preciso che il lavoro non è solo del sottoscritto ma anche di MM che ringrazio per la collaborazione e l'aiuto.

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non vi quoto tutti cmq i punti fissi sono:

a pamb l'acqua evapora a 100°C

a pressioni minori evapora a T minori (vedi montagna che l'acqua bolle prima)

 

il mio dubbio era che se l'acqua nelle heat pipe iniziasse ad evaporare a Tamb diciamo 25°C secondo me ci sarebbe un problema ovvero:

accendo il pc e la cpu porta in tre secondi la temp del dissi a suo contatto a 25°C, dopo altri 5 secondi pure le heat pipe arrivano a 25°C e visto che sono sottili diciamo che in meno di 1 secondo l'acqua inizi ad evaporare asportando calore (calore latente di evaporazione per l'appunto) dalla base dell'heat pipe. a questo punto il vapore risale e poi cede calore alla parte fredda ricondensando. nel frattempo però la cpu ha continuato a lavorare. se è in idle allora la sua temp sarà circa 25°C per gli attuali amd ma se per malaugurata sorte lo si mette sotto orthos la temp dei core schizza a 50 e più gradi... considerando le perdite diciamo che le heat pipe arrivino a 40°C più o meno (35°C la parte fredda e 45°C la parte calda). bene se l'acqua evaporava a 25°C non vedo come potrebbe condensare a 35°C anche cedendo calore alla parete dell'heat pipe dubito possa tornare liquida e poi ridiscendere nella parte centrale senza evaporare prima che arrivi alla parte bassa. questo era ed è il mio dubbio che mi spinge a credere che la temp di evaporazione sia più prossima ai 40/45°C così sicuramente nella parte calda evapora mentre nella fredda di sicuro condensa rimanendo liquida fino alla parte calda...

di fisica tecnica ed applicazioni sul calore ne ho fatte all'univers (pure la tesi triennale) però un problema sulle heat pipe non l'ho mai analizzato quindi sto andando a buon senso... se qualcuno ha dati magari ci si accultura tutti un pò di più! magari vedo se trovo qualcosa in rete pure io:clapclap::clapclap:

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per ora wiki in inglese riporta: Heat pipe - Wikipedia, the free encyclopedia

nulla di nuovo direi... manca il dato scottante:oooops:

 

qui c'è un accenno... "When heated above a certain temperature, all of the working fluid in the heat pipe will vaporize and the condensation process will cease to occur; in such conditions, the heat pipe's thermal conductivity is effectively reduced to the heat conduction properties of its solid metal casing alone. As most heat pipes are constructed of copper (a metal with high heat conductivity); an overheated heatpipe will generally continue to conduct heat at around 1/80th of the original conductivity."

 

questo sito riporta:

 

Processor cooling is an ever increasing and demanding challenge. Heat-pipe cooling provides an optimal solution. Direct finning to the Heat-pipe is very effectively utilised as the Heat-pipe very evenly distributes the heat flux to each fin, and therefore higher fin bank efficiencies are possible than can be realised with conventional finned heat sinks. Rating: Performance typically 0.35°C/W with 70 W dissipation, although better than 0.09°C/W is also possible.

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ma pensambò:azz: e chi l'avrebbe mai detto che lì dentro c'era il liquido??!!!??

 

bene si imparano sempre cose nuove qua:D

 

 

il dubbio di apix ha i suoi perchè:fiufiu:come dice lui una temp di 40/45° avrebbe + senso

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dalle mie parti si dice: la notte porta consiglio.

ho riflettuto un pò e mi sono accorto di aver trattato l'argomento un pò alla contadina con vanga e badile.

ho tralasciato l'effetto sulla pressione interna causato dal vapore stesso, ovvero:

se dentro l'heat pipe diciamo ci siano X moli totali di cui Xv sono quelle già a vapore a Tamb e Xl quelle allo stato liquido. al crescere della temperatura avremo che X' sono le moli che passano da liquido a vapore ma visto che nello stato vapore qualsiasi elemento si espande notevolmente (1mole di vapore = 22.4litri) è ragionevole pensare che la pressione interna cresca facendo crescere pure la T di evaporazione/condensazione.

alla luce di questo fatto diciamo che riesco a spiegarmi il range di temperatura delle heat pipe commerciali che sono operative da 5°C a 170°C!!!:AAAAH::AAAAH:

la notte mi ha fornito solo questa breve riflessione, aggiungete e correggetemi pure:nonno:

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Non no, che correggere... era quello che ti avevo detto all'inizio, anche senza il supporto scientifico che tu hai esposto... ;)

Non avevo messo le formule, ma avevo intuito il concetto....

 

Non so se si è capito, ma stavo cercando di far notare che sono proprio un dritto :coolsmiley:

 

 

Calma calma... :oooops:

 

...i calci fanno male!!! :D

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Non no, che correggere... era quello che ti avevo detto all'inizio, anche senza il supporto scientifico che tu hai esposto... ;)

Non avevo messo le formule, ma avevo intuito il concetto....

 

Non so se si è capito, ma stavo cercando di far notare che sono proprio un dritto :coolsmiley:

 

 

Calma calma... :oooops:

 

...i calci fanno male!!! :D

 

allora ero io l'imbesuito indormento perchè proprio non avevo ne capito nemmeno pensato alla pressione del vapore... cmq alla fine ci siamo arrivati quasi in fondo!! bella lì:clapclap::clapclap:

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dalle mie parti si dice: la notte porta consiglio.

ho riflettuto un pò e mi sono accorto di aver trattato l'argomento un pò alla contadina con vanga e badile.

ho tralasciato l'effetto sulla pressione interna causato dal vapore stesso, ovvero:

se dentro l'heat pipe diciamo ci siano X moli totali di cui Xv sono quelle già a vapore a Tamb e Xl quelle allo stato liquido. al crescere della temperatura avremo che X' sono le moli che passano da liquido a vapore ma visto che nello stato vapore qualsiasi elemento si espande notevolmente (1mole di vapore = 22.4litri) è ragionevole pensare che la pressione interna cresca facendo crescere pure la T di evaporazione/condensazione.

alla luce di questo fatto diciamo che riesco a spiegarmi il range di temperatura delle heat pipe commerciali che sono operative da 5°C a 170°C!!!:AAAAH::AAAAH:

la notte mi ha fornito solo questa breve riflessione, aggiungete e correggetemi pure:nonno:

mmm non fa una piega...dovresti dormire + spesso:D

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dalle mie parti si dice: la notte porta consiglio.

ho riflettuto un pò e mi sono accorto di aver trattato l'argomento un pò alla contadina con vanga e badile.

ho tralasciato l'effetto sulla pressione interna causato dal vapore stesso, ovvero:

se dentro l'heat pipe diciamo ci siano X moli totali di cui Xv sono quelle già a vapore a Tamb e Xl quelle allo stato liquido. al crescere della temperatura avremo che X' sono le moli che passano da liquido a vapore ma visto che nello stato vapore qualsiasi elemento si espande notevolmente (1mole di vapore = 22.4litri) è ragionevole pensare che la pressione interna cresca facendo crescere pure la T di evaporazione/condensazione.

alla luce di questo fatto diciamo che riesco a spiegarmi il range di temperatura delle heat pipe commerciali che sono operative da 5°C a 170°C!!!:AAAAH::AAAAH:

la notte mi ha fornito solo questa breve riflessione, aggiungete e correggetemi pure:nonno:

 

Ah peccato ho trovato questa discussione di termodinamica applicata a giochi fatti! Beh posso dire di trovarmi d'accordo con la spiegazione che ho quotato. All'università ho studiato gli Heat Pipe, in effetti da quello che ho letto in questa discussione penso che si sia fatta confusione ebollizione ed evaporazione. Si è parlato di temperatura di ebollizione e di teperatura di evaporazione come se fosse la stessa cosa. In realtà ha senso solo la temperatura di ebollizione, ossia la temperatura alla quale un liquido passa in modo violendo allo stato gassoso, formando al suo interno delle bolle contenenti vapore. L'evaporazione è invece un fenomeno di superfice, le molecole della superfice di contatto tra liquido e gas si separano dal liquido passando allo stato gassoso; questo fenomeno avviene a tutte le temperature, ma con velocità diverse a seconda della temperatura. Più precisamente sulla superfice di contatto avviene sia l'evaporazione che la condensazione, ma con due velocità diverse dipendenti dalla temperatura e dalla concentrazione di gas. Se infatti immaginiamo di porre un liquido e solo questo liquido in un recipiente ermeticamente chiuso. Se il liquido non occupa tutto il recipiente, nella parte libera non ci sarà il vuoto, ma il vapore di questo liquido. Questo vapore si porterà ad una pressione (dipendente dalla temperatura maggiore per temperature più elevate) detta tensione di vapore. Ad esempio la tensione di vapore dell'acqua a temperatura di 100°C è 1atm, è per questo che l'acqua a 100°C può creare bolle di vapore che non implodono e può quindi bollire.

Ora nell'heat pipe, nella parte più calda la tensione di vapore è maggiore rispetto a quella nella parte più fredda, ma i fluidi si muovono dalle parti a pressione maggiore verso le parti a pressione minore. Solo il liquido non segue il gradiente di pressione perchè condotto verso la parte calda dalla tensione superficiale...in pratica il liquido si muove per capillarità. Mentre negli heat pipe verticali il liquido scende per gravità.

Gossomodo questa dovrebbe essere una spiegazione. Non è una spiegazione che si contrappone a quella che ho quotato, ma è solo un modo diverso di vedere la stessa cosa.

Oops sono stato un po prolisso:D

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macchè prolisso... hai fatto benissimo... in un forum si cresce grazie all'esperienza di tutti! Quindi questa tua spiegazione è stata molto utile e potrà servire ad altre persone che vorranno più info a riguardo delle heat pipe!

 

Ciao

Marco

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scusate se dico la mia , magari son baggianate da idraulico,ma io pensavo che le heat pipes funzionassero semplicemente col principio della circolazione del liquido come in un semplice radiatore da riscaldamento ...semplicemente il calore viene assorbito dal liquido che si scalda diventa vapore , sale nella parte dello scambiatore, cede calore e ritorna freddo ritornando in basso al chipset dal quale riceve di nuovo il calore :cheazz:

è il principio di funzionamento è semplice, ovviamente in funzione del liquido, delle pressioni, dei diametri delle tubazioni si può applicare a qualsiasi esigenza , dal condizionamento al riscaldamento di qualsiasi cosa:cheazz:

 

http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSxkvRB70IJKVVDEloov3ELH77XQeVOWjIL_4KKezi-gzpoC_bdow

 

seguo la discussione perchè mi piacerebbe avere una macchina silenziosa e mi sembra che con questi dissipatori senza ventola o con ventole piccole si possa rimediare, mi sembra di capire che servano proprio a questo o sbaglio?

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se tu prendi un dissipatore attuale per cpu non vi è liquido all'interno

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Beh se fossero dei semplici tubi le heatpipe non funzionerebbero proprio contro gravità (cioè nel caso in cui la parte bassa non è quella a contatto con la parte più calda, ovvero quella da dissipare) e ciò creerebbe problemi in molte circostanze. Per questo il fenomeno della capillarità diventa altrettanto importante.

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se tu prendi un dissipatore attuale per cpu non vi è liquido all'interno

 

cioè è rame pieno? non so , tutto sommato potrebbe funzionare lo stesso credo, condurrebbe lo stesso il calore verso l'alto rilasciandolo all'aria :cheazz:

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cioè è rame pieno? non so , tutto sommato potrebbe funzionare lo stesso credo, condurrebbe lo stesso il calore verso l'alto rilasciandolo all'aria :cheazz:

 

No in realtà sono cave. Più che liquido c'è un gas che passa da stato gassoso nelle parti calde allo stato liquido:

 

Heat_Pipe_Mechanism.png

(immagine da wiki)

Il materiale esterno (appena sotto il rivestimento) è quello che favorisce la trasmissione del liquido contro gravità per capillarità.

Se fosse rame pieno condurrebbero molto meno. Se fossero piene di liquido in fenomeno di convezione funzionerebbe solo in presenza di gravità (e comunque il passaggio da stato gassoso a liquido e viceversa permette di rilasciare ed assorbire molto più calore (per lo stesso motivo per cui sudiamo in estate).

 

In questo modo si favorisce lo scambio tra zone calde e zone fredde. Le vapor chamber funzionano in modo simile ma non hanno una struttura tubolare.

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No in realtà sono cave. Più che liquido c'è un gas che passa da stato gassoso nelle parti calde allo stato liquido:

 

Heat_Pipe_Mechanism.png

(immagine da wiki)

Il materiale esterno (appena sotto il rivestimento) è quello che favorisce la trasmissione del liquido contro gravità per capillarità.

Se fosse rame pieno condurrebbero molto meno. Se fossero piene di liquido in fenomeno di convezione funzionerebbe solo in presenza di gravità (e comunque il passaggio da stato gassoso a liquido e viceversa permette di rilasciare ed assorbire molto più calore (per lo stesso motivo per cui sudiamo in estate).

 

In questo modo si favorisce lo scambio tra zone calde e zone fredde. Le vapor chamber funzionano in modo simile ma non hanno una struttura tubolare.

 

come nei frigoriferi, solo che li c'è un compressore che spinge...

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