jueves, 2 de febrero de 2017

Heatpipes. Conducción de calor optimizada – IdeasYCiencia

Hace ya años que prácticamente todos los radiadores utilizados en la refrigeración de nuestros procesadores y GPUs contienen en su diseño este elemento, el heatpipe. Estos suelen ser exteriormente de cobre, a veces pasivado con zinc o cromados para evitar su oxidación por el aire.

Heatpipe_interior_01Un heatpipe de un radiador Zalman seccionado.

Como ejemplo he fotografiado un ejemplar de Scythe por la plasticidad y belleza de las imágenes:

Scythe_02

En este caso hay dos bloques de láminas de aluminio que atrapan a modo de sándwich los 5 heatpipes por ambos lados, estando en contacto cada lámina del radiador con 10 heatpipes. Esto asegura una excelente transferencia de calor.

Scythe_01

Los heat pipes contienen en su interior una estructura que les da sus increíbles propiedades de conducción térmica, muy superiores a barras sólidas de metal del mismo grosor.

Scythe_03

La estructura interna consiste normalmente en polvos, partículas o mallas de metal conductor térmico (cobre) junto a un líquido volátil a presión muy reducida para favorecer su cambio de fase vapor –> líquido y líquido –> vapor en un ciclo continuo que logra evacuar con alta eficiencia el calor de los hot spots.

Heatpipe_sección_01Sección transversal de un heatpipe.

Scythe_amp_02

Un heat pipe llega a un rendimiento de 100 kW / (m⋅K), algo muy superior a los 0.38 kW / (m⋅K) de un excelente conductor térmico como el cobre puro o los 0.24 kW / (m⋅K) del aluminio.

Scythe_amp_04

En el centro del die de una CPU Core i7, en carga máxima FPU AVX, es fácil llegar a los 70 – 75º C con un buen combo radiador – ventilador en un chasis bien ventilado. En esa zona el líquido en contacto con la pared a 70 ºC se evapora y en ese cambio de fase roba calor al metal en contacto con la CPU.

Es el calor robado en esa transición de fase líquido –> vapor es el que da la brutal eficacia a los heat pipes.

Scythe_amp_05

Para conseguir una buena transmisión de calor del heatpipe de cobre a la láminas de aluminio estos van soldados, normalmente con estaño.

CFD_IsoSkin_Heat_PipeSimulación CFD de un heatpipe plano o vapor chamber.

La física de la dinámica de fluidos y la disipación térmica es apasionante.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium informaticapremium-logo-150px[3]

6 comentarios:

  1. No conocía este otro blog tuyo, me lo apunto Carlos. Nunca había visto un heatpipe por dentro, es interesante como se busca maximizar la superficie en contacto con el vapor que contienen los heatpipes mediante esas estrias longitudinales y las mallas.

    Por otro lado, para los que no conozcan lo que comentas de la energía que se va en el cambio de estado, comentarles que ocurre exactamente lo mismo pero siendo una desventaja, en los hielos que echamos en nuestras bebidas. Se invierte energía en pasar el hielo desde su temperatura inicial hasta los cero grados. mas energía en cambiar el estado del hielo a agua liquida, y mas energía en pasar esa agua liquida (hielo derretido) desde los cero grados hasta la temperatura final de la bebida.

    Espectaculares fotografias (Y)

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  2. Saludos Carlos.

    Excelente articulo como siempre. leyendo me dio curiosidad con algo...crees que se puedan diseñar Peltier lo suficientemente eficiente como para ser usadas en disipadores de PCs? me parecen muy interesantes aunque si eficiencia es muy muy baja...

    Saludos.

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    Respuestas
    1. Enhorabuena a Carlos por su magnífico artículo y en general por su blog. Pena que por su trabajo no pueda escribir más, tanto en éste como en los otros.
      Intentando responder de alguna manera al post de arriba, cito otro de hace unos años:
      "-Las células peltier se destruyen cuando la cara caliente llega a unos 100 grados, en una célula de 60w sin refrigeración se alcanzan en menos de 10 segundos, así que mucho cuidado porque es facilisimo romperlas.
      -A todo el calor transmitido hay que sumar el calor que produce el propio peltier al funcionar, que es bastante, así que la cara caliente tiene que estar muy bien refrigerada. El típico disipador con ventilador no es capaz de desalojar tanto calor, suele ser necesario un circuito de refrigeración líquida.
      -El material del que están hechas las caras de la célula es aislante térmico cuando la célula no esta conectada. Si la célula esta instalada sobre un procesador que requiere disipador y no la conectamos, el calor que genera el procesador termina por destruirlo en unos segundos (como si encendemos el equipo sin instalar el disipador)
      -El objetivo de utilizar una célula peltier es conseguir una temperatura en el dispositivo a refrigerar por debajo de la temperatura ambiente. Como bien han apuntado, esto implica problemas de condensación. Debajo del chip refrigerado e incluso en sus patillas se forman microgotas de agua que con el tiempo corroen los metales, y también pueden provocar algún corto.

      En resumen, son dispositivos complicados de manejar."

      Un saludo.

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  3. Nikus.

    Este Blog lo utilizo para temas más científicos y no tanto para lo relacionado con la informática.

    La verdad es que es sorprendente la eficiencia espectacular de los heatpipes como conductores térmicos y lo que han reducido su precio hasta ser algo cotidiano en los radiadores de CPUs y GPUs de consumo.

    Celebro que te guste el Blog.

    Un saludo,

    Carlos Yus Valero.

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  4. Ex.

    No lo creo. Los Peltier son poco eficientes, consumen demasiada potencia para rasladar el calor de una cara a la otray disipan un extra de calor muy importante.

    Para un dispositivo (CPU, GPU, ...) que genere por ejemplo 100 W necesitaremos un Peltier que añadirá muchos W más de consumo y de calor, claro.

    Para ello necesitaremos un radiador súper sobredimensionado que disipe los W totales del chip mas los generados por el Peltier.

    No es práctico a día de hoy, Como curiosidad, en la época del los Pentium 90 MHz, yo tuve un Peltier (que todavía conservo) y dejaba el chip casi helado en funcionamiento...

    Un saludo,

    Carlos Yus Valero.

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  5. Anónimo,

    No te falta razón en tu comentario. Sin duda un Peltier realmente eficiente sería un gran logro, de todos modos los actuales refrigeradores de CPU de gama alta con radiadores convencionales de aluminio y cobre junto a una base bien estudiada con múltiples heatpipes logran un excelente rendimiento térmico.

    Suscribo totalmente la parte sobre el encendido del Peltier.

    De echo, en mi venerable sistema Dell Pentium 90 del año 1994 (que todavía conservo con sus 24 MB de SDRAM) tenía dos fuentes de alimentación AT. Una de ellas alimentaba toda la máquina, la segunda los ventiladores y el Peltier.

    El proceso de encendido era el siguiente. Primero la fuente AT secundaria (ventiladores y Peltier) y a los 15 s encendía la máquina.

    Con este mismo Peltier tuve durante una temporada funcionando un K6 III a 450 MHz funcionando a 672 MHz sin problemas, eso sí, con un ventilador de 12 cm y 220 V (conectado a la red) con aspas de aluminio y altísimas rpm contra el disipador fabricado a mano del Peltier.

    Saludos,

    Carlos Yus Valero.

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