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Heat Pipe

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Definición: Heat Pipe traducido viene a significar algo así como tubería de calor. Y la verdad es que la definición se ajusta bastante al concepto en si mismo.

Funcionamiento


Este es el esquema básico del funcionamiento de un HeatPipe


Heat Pipe


Básicamente un Heat Pipe es un tubo hueco, relleno de un fluido. Uno de los extremos del tubo se coloca sobre un generador de calor (en el caso que nos ocupa, sobre el core de un microprocesador ).

A: El extremo del cilindro con el fluido activo, reposa sobre un generador de calor.
B: La superficie del HeatPipe transmite el calor, al fluido activo, el cual aumenta su temperatura y comienza a evaporarse.
C: El líquido evaporado asciende hasta la sección de condensación, que será donde se libera el calor del fluido (se enfría ), y este se condensa, volviendo a estado líquido.
D: El fluido activo vuelve hacia la zona de evaporación debido a la gravedad.

El flujo básico del calor se describe en estas etapas, primero se transmite al fluido (a través de la superficie del HeatPipe, de ahí que sea importante que el material del que está hecho el Heat Pipe sea un buen conductor térmico.. suelen estar hechos de cobre ).

El fluido absorbe el calor, hasta que alcanza su punto de ebullición y comienza a evaporarse, al evaporarse el vapor caliente asciende (llevándose consigo el calor que se produce en el generador térmico -> microprocesador ).

El vapor alcanza el final del Heat Pipe, donde se enfría. Típicamente al final del Heat Pipe hay una disipador o algún tipo de refrigerador, para potenciar la refrigeración del fluido activo evaporado. El vapor se condensa al enfriarse (ya ha transmitido el calor que absorbió ).


disipador heat pipe

Una vez condensado, las gotas de fluido activo caen de nuevo hacia el extremo del Heat Pipe conectado al generador de calor. El fluido activo vuelve frío y listo para volver a absorber la temperatura del generador.


Un poco de Física (termodinámica ):


Los estados : la materia se encuentra principalmente en uno de estos tres estados. Sólido, líquido, gaseoso.

Sólido: este estado se caracteriza por que los átomos y moléculas de la materia se encuentran en posiciones fijas de una red cristalina. Los sólidos tienen una forma y un volumen determinado (salvo interferencias de fuerzas externas que puedan superar la fuerza de atracción-repulsión entre los átomos/moléculas de las posiciones de la red ).

Si a un sólido se le aplica energía en forma de calor, se consigue que los átomos de la red vibren, cuanta más energía se les aplique (calor) vibrarán con mayor amplitud, hasta llegar a un punto en el que la vibración rompe las fuerzas de atracción que mantenían la red sólida.. Entonces el sólido pasa a estado líquido.

Líquido: en un líquido los átomos y moléculas siguen unidos por fuerzas de atracción, pero pueden moverse libremente respecto al resto. Con lo cual un líquido puede adaptarse al recipiente que lo contiene, pero siempre ocupando un volumen constante (un litro de agua ocupa un litro, sea dentro de una botella o dentro de una bolsa de agua caliente ).

Si sobre un líquido se sigue incrementando la temperatura, la vibración acabará venciendo las fuerzas que mantienen unidos a los átomos/moléculas. Entonces se produce el cambio a estado gaseoso, en un gas las moléculas están libres respecto al resto, y solo interaccionan cuando se encuentran muy próximas (colisiones ). Un gas se adapta al recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible (por tanto en el estado gaseoso no se habla del volumen del gas, sino del volumen del recipiente.. No se habla de 5 litros de gas butano, sino de una bombona de 5litros, si dejásemos libre el gas, se expandiría hasta ocupar mucho más de 5 litros ).

A la hora de incrementar la temperatura de un compuesto, entra en funcionamiento el concepto de
calor específico: que es la cantidad de calor que hay que aplicar a un gramo de sustancia para elevar su temperatura en un grado centígrado.

Un líquido absorberá la temperatura dependiendo de su calor específico, hasta alcanzar el punto de ebullición (temperatura a la cual cambia a estado gaseoso ), pero no basta con que se le aplique calor para alcanzar ese punto.
También hay que aplicar otra cantidad de calor para que el cambio de estado sea efectivo (calor que no provoca un aumento de la temperatura, sino un cambio de estado ), es el calor latente de vaporización: que se define como la cantidad de calor que hay que administrar a una masa de una sustancia para que se produzca el cambio a estado gaseoso. que = mL (Q=calor, m =masa, L= calor latente)

Pues es exactamente este el truco que utilizan los sistemas basados en Heat Pipes, y que los diferencia de las Refrigeraciones Líquidas..

En un sistema de RL se utiliza el concepto de Calor Específico, al absorber el líquido refrigerante la temperatura generada en los bloqueas, para aumentar su propia temperatura (y luego liberarla en el radiador ). Pero el Sistema de heat Pipes, hace eso mismo, utiliza el concepto de calor específico, pero va una vuelta de rosca más allá, ya que en estos sistemas se busca el cambio de estado, con lo cual sin que el líquido aumente su temperatura (agua en punto de ebullición = 100º, vapor de agua = 100º ), se ha absorbido una mayor cantidad de energía (calor) derivada del concepto de calor latente.

Además es más fácil transportar vapor (un gas) que un líquido, para el que se necesita una bomba. Por tanto al hacer entrar en juego el cambio de estado, se consigue absorber mayor cantidad de energía (calor) y hacer más fácil su transporte. Si además el Heat Pipe es suficientemente largo, se consigue trasladar el calor lejos del generador en poco tiempo.



Funcionamiento detallado:

Aquí el esquema completo del funcionamiento de un HeatPipe


dispador de calor


Aquí se ve la aparición de un nuevo componente, el material capilar (wick), que recubre la superficie interior del Heat Pipe (ahora veremos cuál es su función ).

En principio hay que decir que el HeatPipe en sí mismo constituye un recipiente de un comportamiento próximo al de un Recinto adiabático. Un Recinto Adiabático es un recipiente ideal en el cual no se produce intercambio de temperatura entre su interior y el exterior (aísla la temperatura exterior de la interior ).

¿Entonces cómo se calienta el fluido, y cómo se enfría? ¿no es ese recinto un aislante ?. Efectivamente, pero el comportamiento adiabático se produce en la sección del tubo, no en los extremos que es donde se produce el intercambio de temperatura, lo que se procura es que a la largo de la sección del tubo, no se produzcan fugas térmicas.

De hecho el funcionamiento óptimo se obtiene cuando cada una de las secciones: Evaporador, Adiabático y Condensador se prolonga durante un tercio de la longitud total del Heat Pipe. De ahí que suelan estar curvados sobre el bloque que cubre el micro, y más tarde las aletas del disipador no se encuentren sobre el extremo, sino que abarquen todo el tramo final del Heat Pipe.

El recipiente consta de un tubo de material conductor, típicamente cobre, recubierto por el material poroso en su cara interior, y a su vez impregnado por el fluido activo, luego el tubo se sella. De tal forma que la presión interior viene dada por el vapor del líquido activo del interior. A parte para evitar fugas de vapor, lo cual inutilizaría el Heat Pipe

Esta presión es importante, ya que al evaporarse el fluido, crea un gradiente (variación) de presión que empuja el vapor hacia arriba (hacia el condensador ).

El material poroso tiene una doble función, el fluido impregna sus poros, y al evaporarse los abandona para subir hacia el evaporador. Por tanto contiene el fluido activo. El fluido condensado vuelve a penetrar en los poros del material capilar, y por presión capilar lo canaliza hacia el evaporador. Por tanto actúa como vehículo para devolver el líquido condensado hacia abajo.

Por otro lado al contener el fluido en sus poros, contribuye a que la evaporación se efectúe de forma gradual. Si todo el fluido se evaporase rápidamente, se podría dar el caso de no quedar líquido en el evaporador antes de que vuelva el líquido condensado. Si se produjese esta situación no habría transporte de la temperatura del generador -> Micro Quemado.


disipadorheat pipe

Diferentes Recubrimientos Porosos.

El fluido activo no se encuentra solamente en los poros del material capilar, también depositado en el evaporador (sin absorberse ). Ya que el material poroso podría no tener capacidad de absorción para todo el líquido necesario (la cantidad de líquido dependerá del Heat Pipe.. Es decir del diseño del mismo, y el diseño va en función de lo que se quiera refrigerar con él.

La elección del fluido activo dependerá de varios factores. El principal es la temperatura de trabajo. Es decir, si se espera que el generador de calor produzca un rango de temperaturas, habrá que elegir un fluido cuyo punto de ebullición se encuentre dentro de ese rango de temperaturas (si metiésemos nitrógeno líquido, ya estaría en estado gaseoso antes de que el disipador saliese de la tienda y para hacerlo volver a estado líquido necesitaríamos un REFRIGERADOR POTENTE, lo cual lo haría inútil para un Heat Pipe destinado a un Disipador de CPU ).

También se toman en consideración otros factores como la Viscosidad (a mayor viscosidad mayor temperatura para evaporar el líquido ). También es importante que el líquido no tenga otros componentes disueltos, ya que estos precipitarían al evaporarse dejando un residuo en el evaporador que disminuiría su rendimiento.


tuberia de calor

Ciclo del Fluido Activo Dentro del Heat Pipe.


Un fluido activo típico para Heat Pipes en disipadores para CPUs es el agua destilada. Cuyo punto de ebullición se alcanza dentro del Heat Pipe, y su calor específico lo hace buen conductor de la temperatura.

Como apunte decir que el uso de Heat Pipes alcanza tasas de transferencia térmica desde cientos a miles de veces mayores que el uso de cobre como conductor térmico.

Conclusión: una vez visto el funcionamiento de este paradigma, me atrevería a recalificar los sistemas de refrigeración existentes para CPUs.

¿Qué diferencia a un sistema de otro ?.. el estado en el que se encuentra el transmisor de temperatura.

En Refrigeración por Heat Pipes, la transmisión la hace el vapor del fluido activo al trasladarse desde el evaporador al condensador (en parte también. cuando se encuentra en estado líquido, pero su función es evaporarse ).

En Refrigeración líquida, el transporte se realiza mediante el líquido que añadamos al sistema, el cual permanece siempre en estado líquido.

En refrigeración tradicional, la transmisión de temperatura se realiza a través de un metal sólido (aluminio, o cobre típicamente ).


Así que teniendo en cuenta que al final de los tres sistemas encontramos un ventilador en un radiador/disipador (salvo en sistemas pasivos, pero estos también. los hay en los tres tipos de refrigeración, sobre todo cuando el micro no produce temperaturas muy elevadas ).
Lo que acaba por diferenciar a un sistema de otro, es el estado en el que se encuentra el transmisor del calor. Sólido, líquido, gaseoso.

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2 comentarios - Heat Pipe

@Ing201123
Amigo no tienes info acerca de tubos con aletas? Hago una investigación sobre eso acerca de la aplicación de aletas a tubos de vapor y no me gustaría usar como fuente solo el libro de Cengel de transferencia de calor. Gracias de antemano.
@tuvieja33
Hola, sinceramente no he visto nada como lo que mencionas.
@Ing201123
Es que tengo esta investigación y busco información con cualquiera jajajaja gracias de todos modos xD