Heat Pipe Teoria e realizzazione x Cooling in casa

[marcosnk]

ragazzi girando su internet ho visto ke un ragazzo aveva in mente di farsi un dissipatore cone delle heat pipe interamente fatto da lui...
tutti lo hanno preso per pazzo...
ma poi è arrivato uno e ha indicato l'indirizzo di un sito straniero dove c'era una specie di guida su come farli...

io ho trovato un po di teoria...
e ho in mente di farmi un dissipatore con diverse heat pipe x restare ad "aria"
visto ke mio padre non è tanto daccordo a mettere acqua dentro il pc
e poi preferisco un sistema più passivo possibile!!!

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Heat pipes for electronics cooling applications
Scott D. Garner, PE., Thermacore Inc



Introduzione
Tutti i componenti elettronici, dai microprocessori agli alti convertitori di alimentazione di conclusione, generano il calore ed il rifiuto di questo calore è necessario per il loro funzionamento ottimale e certo. Mentre il disegno elettronico permette l'più alto rendimento in più piccoli pacchetti, dissipare il carico termico si transforma in in un fattore di progetto critico. Molti di odierni dispositivi elettronici richiedono il raffreddamento oltre la possibilità dei dissipatori di calore metallici standard. Il condotto termico sta rispondendo a questo bisogno e velocemente sta transformandosi in in un attrezzo di amministrazione termico del flusso principale.

I condotti termici sono stati disponibili in commercio dalle metà degli anni 60. Soltanto nel passato pochi anni, tuttavia, ha i condotti termici abbracciati industria di elettronica come soluzioni certe e redditizie per le alte applicazioni di raffreddamento di conclusione. Lo scopo di questo articolo è di spiegare il funzionamento di base del condotto termico, rivede gli aspetti chiave di disegno del condotto termico e discutere le applicazioni di raffreddamento elettroniche correnti del condotto termico.

Funzionamento Del Condotto termico
Un condotto termico è essenzialmente un dispositivo passivo di scambio di calore con una conducibilità termica efficace estremamente alta. Il meccanismo bifase di scambio di calore provoca le possibilità di scambio di calore da cento a parecchio mille volte che di una parte equivalente di rame.

Come appare figura 1, il condotto termico nella relativa configurazione più semplice è un vaso cilindrico con le pareti interne allineate con una struttura capillare o uno stoppino closed e evacuato che è saturato con un fluido operante. Poiché il condotto termico è evacuato ed allora è caricato del fluido operante prima del sigillamento, la pressione interna è regolata dalla pressione del vapore del liquido.

Mentre il calore è immesso all'evaporatore, il liquido è vaporizzato, generante una pendenza di pressione nel tubo. Questa pendenza di pressione forza il vapore per fluire lungo il tubo una sezione più fredda in cui condensa dare sul relativo calore latente della vaporizzazione. Il fluido operante allora è restituito all'evaporatore dalle forze capillari sviluppate nella struttura dello stoppino.

I condotti termici possono essere destinati per funzionare sopra una gamma molto vasta di temperature a partire (<) dalle applicazioni criogeniche -243°C che utilizzano i condotti termici di titanio di alloy/nitrogen, alle applicazioni a temperatura elevata (> 2000°C) che per mezzo dei condotti termici di tungsten/silver. Nelle applicazioni di raffreddamento elettroniche dove è desiderabile effettuare le temperature di giunzione sotto 125-150°C, i condotti termici di copper/water sono utilizzati tipicamente. I condotti termici di Copper/methanol sono utilizzati se l'applicazione richiede il funzionamento del condotto termico sotto 0°C.

Disegno Del Condotto termico
Ci sono molti fattori da considerare quando progettano un condotto termico: compatibilità dei materiali, della gamma di temperatura di funzionamento, del diametro, delle limitazioni di alimentazione, delle resistenze termiche e dell'orientamento di funzionamento. Tuttavia, le edizioni di disegno sono ridotte a due considerazioni importanti limitando la selezione ai condotti termici di copper/water per elettronica di raffreddamento. Queste considerazioni sono la quantità di alimentazione che il condotto termico è capace trasportare e la relativa resistenza termica efficace. Questi test di verifica di disegno del condotto termico dei due maggiori sono discussi sotto.

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Limiti A Trasporto Di Calore
La considerazione di disegno più importante del condotto termico è la quantità di alimentazione che il condotto termico è capace di trasferimento. I condotti termici possono essere destinati per trasportare alcuni watt o parecchi chilowatt, secondo l'applicazione. I condotti termici possono trasferire le alimentazioni molto più alte per una data pendenza di temperatura che persino i conduttori metallici migliori. Se guidato oltre la relativa capienza, tuttavia, la conducibilità termica efficace del condotto termico sarà ridotta significativamente. Di conseguenza, è importante da assicurare che il condotto termico è destinato per trasportare sicuro il carico termico richiesto.

La possibilità massima di trasporto di calore del condotto termico è governata da parecchi fattori di limitazione che devono essere indirizzati quando progetta un condotto termico. Ci sono cinque limitazioni primarie di trasporto di calore del condotto termico. Questi riscaldano i limiti di trasporto, che sono una funzione della temperatura di funzionamento del condotto termico, includono: pompaggio, trascinamento o flooding ed ebollizione viscosi, sonici, capillari. Grafici di esposizione di figure 2 e 3 dei limiti assiali di trasporto di calore in funzione della temperatura di funzionamento per i condotti termici cattivi tipici del metallo e dello schermo della polvere. Ogni limitazione di trasporto di calore è ricapitolata in tabella 1.

Limite Di Trasporto Di Calore/Descrizione/Causa/Soluzione Potenziale

Viscoso: Le forze viscose impediscono il flusso del vapore nel condotto termico Condotto termico che funziona sotto la temperatura di funzionamento suggerita Aumenti la temperatura di funzionamento del condotto termico o trovi il fluido operante alternativo

Sonico: Il flusso del vapore raggiunge la velocità sonica quando rimuove l'evaporatore del condotto termico con conseguente alimentazione costante di trasporto del condotto termico e grandi pendenze di temperatura Combinazione di Power/temperature, troppa alimentazione alla temperatura di funzionamento bassa Ciò è in genere soltanto un problema allo start-up. Il condotto termico trasporterà un'alimentazione dell'insieme ed il grande auto di volontà del ^T corretti come il condotto termico riscalda

Entrainment/Flooding: Il flusso del vapore di alta velocità impedisce il condensato il rinvio all'evaporatore Condotto termico che funziona sopra l'input di alimentazione progettato o ad una temperatura di funzionamento troppo bassa Aumenti il diametro dello spazio del vapore o la temperatura di funzionamento

Vaso capillare: La somma delle perdite gravitazionali, del vapore e del liquido di flusso di pressione eccede la testa di pompaggio capillare della struttura dello stoppino del condotto termico L'alimentazione in ingresso di entrata del condotto termico eccede la capacità di trasporto di calore di disegno del condotto termico Modifichi il disegno della struttura dello stoppino del condotto termico o riduca l'input di alimentazione

Ebollizione: Pellicola che bolle tipicamente nei initiates dell'evaporatore del condotto termico a 5-10 W/cm 2 per gli stoppini dello schermo ed a 20-30 W/cm 2 per gli stoppini del metallo della polvere L'alto cambiamento continuo radiale di calore causa la pellicola che bolle con conseguente dryout del condotto termico e grandi resistenze termiche Usi uno stoppino con un'più alta capienza di cambiamento continuo di calore o sparga fuori il carico termico

Tabella 1: Limitazioni di trasporto di calore del condotto termico

Figura 2: Limitazioni previste del condotto termico

Come appare figure 2 e 3, il limite capillare è solitamente il fattore di limitazione in un disegno del condotto termico.

Figura 3: Limiti previsti del condotto termico

Il limite capillare è fissato dalla capienza di pompaggio della struttura dello stoppino. Come appare figura 4, il limite capillare è una funzione forte dell'orientamento di funzionamento e del tipo di struttura dello stoppino.

Figura 4: Limiti capillari contro l'angolo di funzionamento

Le due proprietà più importanti di uno stoppino sono il raggio del poro e la permeabilità. Il raggio del poro determina la pressione che di pompaggio lo stoppino può svilupparsi. La permeabilità determina le perdite frizionali del liquido mentre attraversa lo stoppino. Ci sono parecchi tipi di includere disponibili delle strutture dello stoppino: scanalature, schermo, cables/fibers e metallo sinterizzato della polvere. Figura 5 mostra parecchie strutture dello stoppino del condotto termico.

È importante selezionare la struttura adeguata dello stoppino per la vostra applicazione. La suddetta lista è per permeabilità di diminuzione ed il raggio di diminuzione del poro.

Gli stoppini scanalati hanno un grande raggio del poro e un'alta permeabilità, di conseguenza le perdite di pressione sono basse ma la testa di pompaggio è inoltre bassa. Gli stoppini scanalati possono trasferire gli alti carichi termici in una posizione orizzontale o gravità aiutata, ma non possono trasferire i grandi carichi contro gravità. Gli stoppini del metallo della polvere sull'estremità opposta della lista hanno i piccoli raggi del poro e permeabilità relativamente bassa. Gli stoppini del metallo della polvere sono limitati dalle perdite di pressione nella posizione orizzontale ma possono trasferire i grandi carichi contro gravità.

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Resistenza Efficace Di Thermal Del Condotto termico[/B]
L'altra considerazione primaria di disegno del condotto termico è la resistenza termica efficace del condotto termico o il condotto termico generale T ad una data alimentazione di disegno. Poichè il condotto termico è un dispositivo bifase di scambio di calore, un valore termico efficace costante di resistenza non può essere assegnato. La resistenza termica efficace è non costante ma una funzione di tantissime variabili, quali la geometria del condotto termico, la lunghezza dell'evaporatore, la lunghezza del condensatore, la struttura dello stoppino ed il fluido operante.

Figura 5: Strutture dello stoppino

La resistenza termica totale di un condotto termico è la somma delle resistenze dovuto conduzione tramite la parete, conduzione attraverso lo stoppino, evaporazione o flusso del vapore, condensazione e perdite d'ebollizione e assiali di conduzione indietro tramite lo stoppino e la parete della sezione del condensatore.

Figura 6 mostra un'alimentazione contro la curva di T per un condotto termico tipico di copper/water.

Figura 6: Condotto termico previsto Delta-Delta-TT

L'analisi termica dettagliata dei condotti termici è piuttosto complessa. Ci sono, tuttavia, alcune regole pratiche che possono essere usate per le prime considerazioni di disegno del passo. Una guida approssimativa per un condotto termico di copper/water con una struttura dello stoppino del metallo della polvere deve usare 0.2°C/W/cm2 per resistenza termica all'evaporatore ed al condensatore e 0.02°C/W/cm2 per resistenza assiale.

Le resistenze del condensatore e dell'evaporatore sono basate sull'area esterna del condotto termico. La resistenza assiale è basata sulla sezione trasversale dello spazio del vapore. Questa guida di disegno è soltanto utile per le alimentazioni a o sotto l'alimentazione di disegno per il dato condotto termico.

Per esempio, per calcolare la resistenza termica efficace per 1,27 un condotto termico di centimetro del diametro copper/water di lunghezza 30,5 centimetri con uno spazio del vapore da 1 centimetro del diametro, i seguenti presupposti sono fatti. Presupponga che il condotto termico sta dissipando 75 watt con un evaporatore da 5 centimetri e una lunghezza del condensatore da 5 centimetri. Il cambiamento continuo di calore dell'evaporatore (q) è uguale l'alimentazione divisa dalla zona dell'input di calore (q = evap di Q/a ; q = 3,8 W/cm 2). Il cambiamento continuo assiale di calore è uguale l'alimentazione divisa dalla zona rappresentativa dello spazio del vapore (vapore di q=Q/A ; q = 95,5 W/cm 2).

La pendenza di temperatura è uguale il cambiamento continuo di calore volte la resistenza termica.

Evap di q = di T * evap della R + q assiale * R assiale + cond di q * cond della R

T = 3,8 W/cm 2 * 0.2°C/W/cm 2 + 95,5 W/cm 2 * 0.02°C/W/cm 2

+ 3,8 W/cm 2 * 0.2°C/W/cm 2

T = 3.4°C

È importante notare che le equazioni date sopra per le prestazioni termiche sono soltanto regola pratica la guida di riferimento. Questa guida di riferimento dovrebbe essere usata soltanto per contribuire a determinare se i condotti termici verranno a contatto del vostro fabbisogno di raffreddamento, non come test di verifica finali di disegno. Le informazioni più dettagliate sulle limitazioni di alimentazione e sulle resistenze termiche previste del condotto termico sono fornite nei libri di disegno del condotto termico elencati nella sezione di riferimento.

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Applicazioni Di Raffreddamento Elettroniche Del Condotto termico:
Forse il senso migliore dimostrare l'applicazione dei condotti termici al raffreddamento di elettronica deve presente alcuni degli esempi più comuni. Attualmente, una delle domande dell'più alto volume di condotti termici sta raffreddando i processor del Pentium in calcolatori del taccuino. dovuto lo spazio e l'alimentazione limitati disponibili in calcolatori del taccuino, condotti termici sono adatta idealmente per il raffreddamento dei circuiti integrati di alimentazione alta.

Smazzi i dissipatori di calore aiutati richiedono la corrente elettrica e riducono la durata di batteria. I dissipatori di calore metallici standard capaci di dissipazione del carico termico sono troppo grandi essere incorporati nel pacchetto del taccuino. I condotti termici, d'altra parte, offrono un'alta efficienza, il passivo, soluzione compatta di scambio di calore. Tre o quattro condotti termici di millimetro del diametro possono rimuovere efficacemente l'alto calore di cambiamento continuo dal processor. Il condotto termico sparge il carico termico sopra un dissipatore di calore relativamente grande di zona, in cui il cambiamento continuo di calore è così basso che può essere dissipato efficacemente attraverso la cassa del taccuino ad aria ambientale. Il dissipatore di calore può essere i componenti attuali del taccuino, da interferenza elettromagnetica (EMI) che protegge sotto il rilievo chiave ai componenti strutturali del metallo. Le varie configurazioni dei dissipatori di calore del condotto termico del taccuino sono indicate nella figura 7.



Typical thermal resistances for these applications at six to eight watt heat loads are 4 - 6°C/watt. High power mainframe, mini-mainframe, server and workstation chips may also employ heat pipe heat sinks. High end chips dissipating up to 100 watts are outside the capabilities of conventional heat sinks. Heat pipes are used to transfer heat from the chip to a fin stack large enough to convect the heat to the supplied air stream. The heat pipe isothermalizes the fins eliminating the large conductive losses associated with standard sinks. The heat pipe heat sinks, shown in Figure 8, dissipate loads in the 75 to 100 watt range with resistances from 0.2 to 0.4°C/watt, depending on the available air flow.



Figure 8: High end CPU heat pipe heat sink

In addition, other high power electronics including Silicon Controlled Rectifiers (SCR's), Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT's) and Thyristors, often utilize heat pipe heat sinks. Heat pipe heat sinks similar to the one shown in Figure 9, are capable of cooling several devices with total heat loads up to 5 kW. These heat sinks are also available in an electrically isolated versions where the fin stack can be at ground potential with the evaporator operating at the device potentials of up to 10 kV. Typical thermal resistances for the high power heat sinks range from 0.05 to 0.1°C/watt. Again, the resistance is predominately controlled by the available fin volume and air flow

Figure 9: High power IGBT heat pipe heat sink

Scott D. Garner P.E.
Thermacore Inc., 780 Eden Road,
Lancaster PA 17601 USA
Tel : +1 (717) 569-6551
Fax:+1 (717) 569-4797
Email: garner@thermacore.com

References:
1. Brennan, P.J. and Kroliczek, E.J., Heat Pipe Design Handbook, B&K Engineering, NASA Contract No. NAS5-23406, June 1979.
2. Chi, S.W., Heat Pipe Theory and Practice, Hemisphere Publishing Corporation, 1976.
3. Dunn, P.D. and Reay, D.A., Heat Pipes, 3rd. Edition, Permagon Press, 1982.
4. Eastman, G. Yale and Ernst D.M., Heat Transfer Technology (Heat Pipe), Kirk-Othmer: Encyclopedia of Chemical Technology, Volume 12, John Wiley and Sons, Inc., 1980.
5. Peterson, G.P., An Introduction to Heat Pipes Modeling, Testing, and Applications, John Wiley and Sons, Inc., 1994.

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Questa è una guida pratica sulle heat pipe

1a Parte

2a Parte

2.2a Parte

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Come Funziona



Un condotto termico consiste di una busta stretta di vuoto, di una struttura dello stoppino e di un fluido operante. Il condotto termico è evacuato ed allora è riempito con una piccola quantità di fluido operante, abbastanza appena per saturare lo stoppino. L'atmosfera all'interno del condotto termico è regolato da un equilibrio di liquido e del vapore. Mentre il calore entra all'evaporatore, questo equilibrio è rovesciato che genera il vapore ad una pressione un po'più alta. Questo più alto vapore di pressione viaggia all'estremità del condensatore in cui le temperature un po'più insufficienti inducono il vapore a condensare dare sul relativo calore latente della vaporizzazione. Il liquido condensato allora è pompato di nuovo all'evaporatore dalle forze capillari sviluppate nella struttura dello stoppino.

Questo ciclo continuo trasferisce le grandi quantità di calore con le pendenze termiche molto basse. Un funzionamento del condotto termico è passivo che è guidato soltanto dal calore che è trasferito. Questo funzionamento di passivo provoca l'alta affidabilità e la vita lunga.

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[Fragolino]

La discussione prosegue quì Discussione guida Heat Pipe Teoria e realizzazione x Cooling in casa