HEAT PIPES Lo "nuevo" en Refrigeración

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[DEIM0S]

Buenas es el primer Topico que levanto, y como últimamente me estoy interesando por el tema de la refrigeración por HeatPipes (empezó a picarme la curiosidad con los nuevos disipadores q van saliendo de aspecto y peso monstruoso). Pues me he decidido a compartir con uds. mis averiguaciones sobre el asunto, así si a alguien más le pica la curiosidad sobre el tema le evito el tener q echar una tarde por la GRAN RED buscando_leyendo_asimilando información.

Lo primero q quiero deciros es q este concepto no es nada nuevo (de ahí las comillas del título), ya q se viene comercializando desde 1960 (solo han tenido q pasar 44 años para encontrarlo encima de nuestros microprocesadores).

A lo largo del artículo trataré de explicaros el pq considero a este concepto como un paradigma diferente a la refrigeración por aire (sí, los disipadores llevan ventilador, pero después de todo los radiadores de los sistemas de RL también suelen llevar).

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

Funcionamiento: bueno vamos al meollo del asunto.

Este es el esquema básico del funcionamiento de un HeatPipe (más adelante complicaremos un poco la cosa).

http://www.heatpipe.com/homepage/heatpipestructure.JPG

Figura 1. - Esquema Básico de Funcionamiento. - obtenida desde http://www.heatpipe.com/heatpipes.htm

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 q sea importante q el material del q está hecho el Heat Pipe sea un buen conductor térmico.. suelen estar hechos de cobre).

El fluido absorbe el calor, hasta q 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).

http://www.essentec.de/images/grafikkuehler001_b340.jpg
http://www.essentec.de/images/grafikkuehler002_b340.jpg

Figura2. - Configuración Típica de un Heat Pipe. Evaporador en un bloque de cobre, y condensador insertado en un radiador. - obtenida desde http://www.essentec.de/projekte.htm

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 q 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 q los átomos de la red vibren, cuanta más energía se les aplique (calor) vibrarán con mayor amplitud, hasta llegar a un punto en el q la vibración rompe las fuerzas de atracción que mantenían la red sólida.. Entonces el sólido pasa a estado 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 q 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 q 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 q 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 q hay q 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 q se le aplique calor para alcanzar ese punto. También hay que aplicar otra cantidad de calor para q el cambio de estado sea efectivo (calor q no provoca un aumento de la temperatura, sino un cambio de estado), es el calor latente de vaporización: q se define como la cantidad de calor q hay q administrar a una masa de una sustancia para que se produzca el cambio a estado gaseoso. Q = mL (Q=calor, m =masa, L= calor latente)

Pues es exactamente este el truco q utilizan los sistemas basados en Heat Pipes, y q 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 q en estos sistemas se busca el cambio de estado, con lo cual sin q 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) q un líquido, para el q 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.

Bueno, antes al explicar el funcionamiento de los Heat Pipes con el esquema de la Figura1, dije q complicaríamos un poco más la cosa (pero no mucho más ), asi q vamos allá.

Funcionamiento detallado:

Aquí el esquema completo del funcionamiento de un HeatPipe

http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/images/a2f1heat.jpg

Figura3. - Esquema Avanzado de Funcionamiento. - obtenida desde http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/sep96_02.htm

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

En principio hay q decir q 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 fluído, 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 q es donde se produce el intercambio de temperatura, lo que se procura es q 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 q suelan estar curvados sobre el bloque q cubre el micro, y más tarde las aletas del disipador no se encuentren sobre el extremo, sino q 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 q 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 q al evaporarse el fluido, crea un gradiente (variación) de presión q 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 q 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 q vuelva el líquido condensado. Si se produjese esta situación no habría transporte de la temperatura del generador -> Micro Quemado.

http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/images/a2f5.jpg

Figura 4. - Diferentes Recubrimientos Porosos. - obtenida desde http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/sep96_02.htm

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 líquidio necesario (la cantidad de líquido dependerá del Heat Pipe.. Es decir del diseño del mismo, y el diseño va en función de lo q 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 q el generador de calor produzca un rango de temperaturas, habrá q 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 q 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 q el líquido no tenga otros componentes disueltos, ya q estos precipitarían al evaporarse dejando un residuo en el evaporador q disminuiría su rendimiento.

http://www.knap.at/pic/heatpipe.gif

Figura 5. - Ciclo del Fluido Activo Dentro del Heat Pipe. - obtenida desde http://www.knap.at/de/noren.htm

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 q el uso de Heat Pipes alcanza tasas de transferencia térmica desde cientos a miles de veces mayores q 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 q 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 tb. cuando se encuentra en estado líquido, pero su función es evaporarse).

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

Así q si me permiten la aclaración me voy a tomar la libertad de llevarle la contraria a todo el mundo y renombrar a la "mal llamada" refrigeración por aire, como refrigeración sólida. ;)

algunos detalles que les podrian interesar....

Bibliografía:

Fabricantes
http://www.aerocool.com.tw/
http://www.thermaltake.com/
http://www.thermalright.com/

Física: Capilaridad y Termodinámica:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/latente/latente.htm
http://www.levieuxcoq.org/Otro_Dico.html
http://personal.redestb.es/jesusrom/pompas/pompas0.html

Heat Pipes:

http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/sep96_02.htm
http://www.sti.nasa.gov/tto/spinoff1996/64.html
http://www.heatpipe.com/heatpipes.htm
http://www.knap.at/de/noren.htm
http://www.waermeleitrohre.de/eng/wirk.htm
http://www.essentec.de/projekte.htm

Reviews:

http://www.neoseeker.com/
http://www.silenthardware.de

Creditos:
Al autor original mi amigo Veritatis
A archivos temporales de internet (por guardarlo siempre todo)

espero que les haya agradado mi primer topico....

un saludo a todos uds.

[dA_vO]

Hola!

Muy interesante y completo, te fajaste men!:)

Toma tu karma!:p

Salu2!

[[CP] Chechito LAN.CO]

Muy buena recopilacion sobretodo hoy a puertas de que esta tecnologia se tome el mercado si es que ya no lo esta haciendo.

Por que es que hoy en dia con la cantidad de potencia que disipan los componentes pues los disipadores por aire estan quedandose cortos.

Ya vemos a gigabyte incorporando heatpipes por todo lado y sin costo exagerado.

[DEIM0S]

gracias por sus respuestas amigos.. eh aqui y les presento unos modelos usados ya sea para intel o Amd

AeroCool HT-101

http://www.aerocool.com.tw/aerocool-files-v3/Images/cooler/products/ht101-1.jpg
http://www.aerocool.com.tw/aerocool-files-v3/Images/cooler/products/ht101-2.jpg

ThermalRight SP97 (SP94 versión iNtel, el de la foto es el SP97)

http://www.thermalright.com/a_images/sp97/sp97_sb.gif

[DEIM0S]

Aquí les presento al chico nuevo del barrio: ThermalRight XP-120

http://www.systemcooling.com/images/reviews/Heatsinks/Thermalright_XP-120/heatsink1_lg.jpg
http://www.systemcooling.com/images/reviews/Heatsinks/Thermalright_XP-120/heatsink2_lg.jpg

Sí, lo q tiene al lado en la 2ª foto es ni más ni menos q un SP94 (la versión iNtel del SP97), asi q os podéis hacer la idea de q el XP-120 tiene un tamaño MONS-TRU-O-SO :huh:

Admite un ventilador de 12Cms, y está hecho en aluminio (con esas dimensiones se lo puede permitir), asi q es realmente ligero: 270g sin ventilador (según las espeficaciones q podeis encontrar en la page de ThermalRight).

Aún no se fabrica masivamente, pero proximamente saldrá al mercado. En http://www.systemcooling.com analizan un prototipo (aún sin comparativas q dicen q se reservan para cuando esté lista la versión definitiva q será la q se ponga a la venta), aquí podras leer el artículo: http://www.systemcooling.com/thermalright_xp120-01.html

Se espera q las prestaciones de este monstruo superen a todo lo q hay actualmente en refrigeración por Heat Pipes (y con un venti de 12Cms presumiblemente será silencioso.. y ligero.. ya tengo ganas de ver reviews y comparativas de él).

..Un Saludo..

[DEIM0S]

http://www.short-media.com/images/mm/Reviews/Hardware/Heatsinks/xp120/xp-120_profile.jpg

Thermalright XP-120 Heatsink: At a glance (http://www.short-media.com/review.php?r=254)

[DEIM0S]

ThermalRight XP-90..

http://www.systemcooling.com/images/reviews/Heatsinks/Thermalright_XP-90/xp90_sm.jpg

Es como lo ves una versión más pequeñita del XP-120, este está pensado para utilizar ventiladores de 92mm en vez de 120mm como su hermano mayor. El diseño es muy parecido, y es tb. un disipador muy ligero (aletas de aluminio).

En las comparativas parece q tiene un rendimiento muy bueno, y que además gracias a su tamaño más reducido da muchos menos problemas de instalación q el XP-120.

Aaah, es para plataformas PIV y K8 (754, 939/940).. una pena q no se le pueda poner a AthlonsXP. Si pensáis poneros un disipa nuevo igual este os convence. Además por lo q he visto en alguna de las reviews parece q además es barato (al ser aluminio es más barato q uno de cobre), ronda los 40$,

[DEIM0S]

Es el ThermalTake Pipe 101 (además no es de marca desconocida precisamente).

http://www.bigbruin.com/reviews/ttpipe101/small/3.jpg
http://www.bigbruin.com/reviews/ttpipe101/small/5.jpghttp://www.bigbruin.com/reviews/ttpipe101/small/6.jpg

[DEIM0S]

Y por fin uno para Socket A del tipo Thermalrigth XP.

Es el SI-97 y tiene una aspecto realmente curioso.

http://www.systemcooling.com/images/reviews/Heatsinks/Thermalright_SI-97/3qtr_sm.jpg
http://www.systemcooling.com/images/reviews/Heatsinks/Thermalright_SI-97/side1_sm.jpg
http://www.systemcooling.com/images/reviews/Heatsinks/Thermalright_SI-97/top_sm.jpg

[DEIM0S]

Encontré un par de reviews de otro disipa con Heat Pipes.. pero la novedad de este, es q es pasivo. No usa ventilador asi q es silencioso total.

http://www.thermaltake.com/images/coolers/cl-p0019fanless103/cl-p0019.jpg

http://www.thermaltake.com/coolers/cl-p0019Fanless103/cl-p0019fanless103.htm

[DEIM0S]

Modelo de TITAN con Heat Pipes

http://www.hardcore-modding.com/userimages/Titan%20Vanessa.JPG

[DEIM0S]

tb. un disipador pasivo, para los amantes del silencio.. ahora falta ver alguna comparativa entre este y el Thermaltake, para ver cuál se lleva el gato al agua.

http://www.hardcore-modding.com/userimages/NT01%20Fanless.jpg

[DEIM0S]

y así encontraran muchos más.......... Bienvenidos al mundo de los HEATPIPES! :)

[Sè▲-M▲n]

Bueno .. yo hace mucho.... mucho...tiempo.. como en el "95 cuando estaba estrenando mi primer K-6 II de 300mhz se me daño el disipador que traia y me fui a recorrer la 9ª .. ( calle famosa de repuestos electronicos en la Capital) y en uno de tantos almacenes me fije en un disipador de gran tamaño que parercia tener un tubito y a este ultimo agarrado otro dispador.. pues nada.. Lo compre.. en esa fecha costo $5.000 .. pues encajo muy.. pero muy bien en el soket 7 de esta board. y funcionaba bien.. pero como todos saben en esos tiempos nadie miraba temperatuas.. solo era jugar Quake 2 con una buena VooDoo 3 Pci :) 4 años luego de que vendi el equipo con ese disipador me di cuenta que se estan usando en lo mismo que yo lo use en su dia....
Es mas el otro dia pase por ese lugar.. i todavia tienen de esos disipadores .. y a solo $25.000.. haaa... aquellos tiempos ...............

[Ronald Vaesken]

Esto es un :cool: Heat Pipe para Tarjetas de Video :cool: y espero conseguirme una si es posible ya que es todo un drama cortar disipadores y toda la cosa para hacer un mod a los ram de la video card para refrigerarlas :cool:
Les gusto esta solucion para la video no tengo el modelo pero la marca es
KingWin
http://www.laneros.com/attachment.php?attachmentid=14105

[Ronald Vaesken]

Estos los pueden ver estos juguetes con sus precios en www.CoolMod.com (http://www.coolmod.com/) y www.TigerDirect.com (http://www.tigerdirect.com/)

http://www.laneros.com/attachment.php?attachmentid=16642 http://www.laneros.com/attachment.php?attachmentid=16641 http://www.laneros.com/attachment.php?attachmentid=16640 http://www.laneros.com/attachment.php?attachmentid=14163

[Ronald Vaesken]

:P Esto parace un Aparato Alienigeno no se llega a entender bien la foto pero parece tener un cooler dentro de su estructura observen :cyclp:

[suministros]

Sr DEIM0S

me gusta mucho realizar experimentos y al igual que usted Ya habia leido esta informacion, Me puede aclarar algo ::

Si cojo un tubo de cobre le meto el agua destilada y lo sello en ambos extremos, entonces este ya seria un Heatpipe,? Logicamente solo trabajaria en posicion vertical ya que el tubo de cobre (de refrigueracion de aire acondicionado) no tiene la estructura WICK.

Cuanta cantidad de liquido hay que usar ?

Cual es el largo maximo del Pipe. ?

Que potencia maxima se puede disipar ?

Quiero hacer una prueba ccon algo de agua destilada y un tubo de cobre, alguien ha realizado alguna prueba o alguna pagina de INTERNET

Gracias

CARLOS

[[CP] Chechito LAN.CO]

Creo que hace falta que el tubo este al vacio para que sea un heat pipe, sino el agua solo se evaporaria a los 90 C° o algo asi.

[Ronald Vaesken]

Te puedo responder yo si quiere saber Sr Suministros

El heat pipe lo puedes hacer grande o chico observe el heat pipe de termaltake y el de mayor tamaño que puso Deimos usa un cooler de 12cm el tamaño es para hacerlo pasivo o darle mayor rendimiento ahora para que el heat pipe funcione con un cpu se utiliza un gas de evaporacion rapida significa que se evapora temperaturas medias de 40 C o 50 C o mejor 30 C el punto del heat pipe es que este se evapore a temperaturas menores que a la que el cpu se quemara si le pone agua esta se evapora mas a los 100 C y su cpu se habra quemado a los 65 C antes de que su heat pipe comienze a actuar claro el agua destilada funcionara mejor talvez ebullira a los 100 C o menos pero usted necesitara un gas liquido comprimido (no dispongo del nombre del gas) en el tubo otra cosa su tubo no puede ser liso por dentro debe tener por lo menos guias para que el liquido condensado caiga de vuelta a la parte inferior del tubo eso si lo quiere mas eficiente mejor si le pone un radiador de 12x12cm por menos asi lograra un muy buen rendimiento colocandole un cooler de 12x12cm y no es necesario alejar le radiador del cooler ya que si lo hace asi perdera eficiencia su heat pipe aunque puede hacer las pruebas a ver que tal Mucha Suerte
Revise informacion sobre esto y vea el nombre del gas que usan yo ahora no dispongo del nombre este momento

[[CP] Chechito LAN.CO]

Bueno entonces toca conseguir algun gas que se evapore a temperaturas cercanas a la temp ambiente.

CUal sería???