Heat-pipes: Αρχές λειτουργίας τους.

Ψύκτρες με τεχνολογία heatpipe:

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 τους φανεί χρήσιμο.

* Φωτό: Λεπτομέρειες μιας τυπικής ψύκτρας για CPU με heatpipes

ΤΙ ΑΚΡΙΒΩΣ ΕΙΝΑΙ ΤΟ HEAT-PIPE (ΘΕΡΜΟΣΩΛΗΝΑΣ) ;

Το Heatpipe είναι ένας μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας, ο οποίος έχει την δυνατότητα να μεταφέρει μεγάλα θερμικά φορτία με πολύ μικρή διαφορά σε θερμοκρασία μεταξύ των κρύων και ζεστών επιφανειών του.


ΠΩΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΟΝΤΑΙ:

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.) με το υπόλοιπο του σωλήνα να γεμίζεται με το ίδιο αλλά αεριοποιημένο υγρό σε καθαρή μορφή (χωρίς άλλα 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). http://en.wikipedia.org/wiki/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 αν και ποσοστό από τα μη συμπυκνωμένα αέρια θα διαφύγει από διάφορα διάκενα του σωλήνα (συνήθως στις ενώσεις) 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).

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 υγρό.

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):
http://www.lanl.gov/news/releases/archive/00-064.shtml
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: 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 έχουν την τάση να εξομειώνουν την θερμοκρασία εσωτερικά με αυτήν, κυρίως στο κέντρο του όπου γίνεται η όλη διαδικασία υγροποίησης/αεριοποίησης.

* Φωτό: Σχέδιο με επεξήγηση της αρχής λειτουργίας heatpipe.

Απο κεί 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 υγρού να αεριοποιηθεί μεταφέροντας ποσό της θερμότητας στην κρύα άκρη του heatpipe. Αντιθετα με ότι πιστεύεται ΠΟΤΕ δεν αεριοποιείται ΟΛΟ το ψυκτικό υγρό. Μέρος του παραμένει υγρό και δουλεύει ως θερμικός καταλύτης, (κάτι σαν μεσάζοντας) μεταφέροντας θερμικό φορτίο προς την "αέριοποιημένη" πλευρά του. Οταν 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 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 σε -θα μπορούσα να πω- ημι-αέρια μορφή).
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 ύγρο με ένα κατάλληλότερο για το φάσμα θερμοκρασιών που θέλουμε να ψύξουμε, παρά να δημιουργούμε τις.. κατάλληλες συνθήκες που προανέφερα (*) χρησιμοποιόντας ένα ακατάλληλο ψυκτικό υγρό. Απλά συγκρατήστε ότι το σημείο βρασμού εξαρτάται αρκετά και από τον δείκτη της ατμοσφαιρικής πίεσης.
Διάφορα μέσα χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά υγρά 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.

ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ:

Αν και η τεχνολογία heatpipes με επιστροφή του υγρού με την βοήθεια της βαρύτητας είναι γνωστή από την εποχή των κινητήρων ατμού, τα οφέλη
της χρήσης με την βοήθεια "οδηγών" για την επιστροφή του υγρού βεβιασμένα στην "βάση θέρμανσης" (χωρίς δηλαδή να είναι απαραιτήτως κάθετη η ψύκτρα προς την βαρύτητα) ανακαλύφθηκαν από τον George Grover στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, USA το 1963, και εν συνέχεια δημοσιεύθηκε σχετικό άρθρο στο Journal of Applied Physics το 1964. Ο Grover σημειώνει στο βιβλίο του:

"Heat transfer via capillary movement of fluids. The "pumping" action of surface tension forces may be sufficient to move liquids from a cold temperature zone to a high temperature zone (with subsequent return in vapor form using as the driving force, the difference in vapor pressure at the two temperatures) to be of interest in transferring heat from the hot to the cold zone. Such a closed system, requiring no external pumps, may be of particular interest in space reactors in moving heat from the reactor core to a radiating system. In the absence of gravity, the forces must only be such as to overcome the capillary and the drag of the returning vapor through its channels."

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

ΧΡΗΣΕΙΣ:

Ο Grover με τους συνεργάτες του εργάζονταν σε συστήματα ψύξης για πυρηνικά κύτταρα ενέργειας για διαστημόπλοια (κάτι σαν συμπυκνωμένo πυρηνικό κάυσιμο) όπου υπήρχαν ακραίες θερμικές συνθήκες. Παραπάνω στην παράθεση αναφέρεται χονδριτκά πως τα heatpipes μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακόμα και με έλλειψη βαρύτητας (χρήση σε διαστημικές εφαρμογές).
Από τότε, τα 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.

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 με ανεμιστήρα) με σκοπό την διοχέτευση του θερμικού φορτίου στην ατμόσφαιρα (και προφανώς μακρυά από την πηγή που εκπέμπει το θερμικό φορτίο).

Χρησιμοποιούνται επίσης πολύ σε συστήματα θέρμανσης νερού με ηλιακή ενέργεια (οι γνωτοί μας ηλιακοί θερμοσίφωνες).
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 και η διαδικασία ψύξης θα πάψει να συμβαίνει. 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!