A hőcsöves hűtési technológia

A hőcsövek (heat-pipe) jó ideje beköltöztek már számítógépeinkbe. Először a Pentium processzoros notebookokban találkozhattunk velük, majd videokártyákon, később processzorhűtőkön és egyes extra tápokban is visszaköszöntek ezek az érdekes, rézszínű rudacskák, melyekről csak annyit lehetett tudni, hogy iszonyatosan jól vezetik a hőt. Honnan jön ez az ötlet? Hogyan működik? Miért került be a számítógépekbe? Tényleg olyan jó? Mi van benne? Ezekre a kérdésekre most választ adunk.

Honnan jött?

A hőcső feltalálása Angier March Perkins nevéhez köthető, aki még az 1800-as évek elején foglalkozott csőbe zárt, hőt szállító folyadékokkal; 1839-ben szabadalmaztatott egy berendezést, ami még csak folyékony halmazállapotú anyaggal volt töltve. Utódja, Jacob Perkins 1936-ban jegyeztette be „Perkins csövét”, melyben a folyadék már gőz halmazállapotba váltott. Egyetlen gramm víznél ez a halmazállapot-váltás akkora energiát igényel, ami 100 gramm rezet 173 fokkal melegít fel! Perkins berendezése hosszú, tekervényes csöveket tartalmazott, a fűtőegység lenn kapott helyet, a felmelegedett gőz felszállt. A lehűlő és vízzé változó gőz (komoly energiákat ad le ez a folyamat) a gravitáció hatására jutott vissza a melegítőhöz. Gőzmozdonyokban és ipari sütőberendezésekben használtak ilyen rendszereket.

Az 1940-es években a General Motorsnál álltak elő azzal az ötlettel, hogy a cső belső falába vékony barázdákat vagy csövecskéket vágva a kapillárishatás segítségével a folyadékot rá lehet bírni, hogy a gravitációval ellentétesen haladjon. A jelenséggel a figyelmesebbek biztosan találkoztak középiskolai fizikaórákon: a folyadék vékony csőben, felületi feszültsége hatására, mintegy a falnak támaszkodva magasabbra tud mászni, mint egy vastagabban. Részben ezzel a módszerrel jut fel például a gyökereken keresztül felszívott folyadék a fa rostos szerkezetében egészen a levelekig. A 40-es években még nem volt megfelelő technológia hatékony, finoman barázdált belső felületű csövek gyártására.

Mint sok találmány, ez is a védelemnek és űrkutatásnak álcázott haditechnológiában találta meg újraéledését. Az első működő hőcsövet George M. Groover nevéhez kötik, aki 1963-ban az amerikai tudósok fellegvárában, Los Alamosban tevékenykedett. Kezdetben űrtechnológiában és hadi rendszerekben alkalmazták, előállítása költséges volt. Hétköznapi használata fölöslegesnek bizonyult a 80-as évekig, hiszen az elektromos készülékek hűtésére akkoriban bőven elégnek bizonyultak a fémbordák.

A 90-es évek elején jelentek meg az olyan erőteljes processzorok, melyekkel a bordák már egyedül nem birkóztak meg, jöttek a ventilátorok. A hordozható gépek piacán forró helyzet alakult ki, oda nem voltak éppen ideálisak a légkavarók. Inkább a hő nagyobb leadófelületekre vezetésével próbálkoztak, erre ideálisak a hőcsövek, melyekkel először 1994-ben pentiumos notebookokban lehetett találkozni. 1999-re a hordozható gépek hatvan százalékát hűtötték ilyen módszerrel. A processzorok és a grafikus magok további gyorsulása miatt a hőcsövek beszivárogtak az asztali rendszerekbe is. Jobb légáramlást – ezáltal jobb hőleadást – biztosító, kedvezőbb felépítésű hűtőbordák kialakítását teszik lehetővé.

Hogyan működik?

A heat-pipe alapvető feladata a hőenergia elszállítása hidegebb égtájakra. Ehhez kihasználja a fázisváltás korábban említett jelentős energiaigényét és azt a tényt, hogy a gáz a melegebb helyről a hidegebbre áramlik. Tehát a folyamat a következő: a cső melegített részén a folyadék jelentős (hő)energiát vesz fel ahhoz, hogy légneművé változzon, majd a cső hidegebb vége felé libben. Ott arra a szintre hűl, ahol ismét folyadékká alakul – és leadja az energiát. A folyadék a gravitációnak vagy a cső belső kialakításának köszönhetően ismét lejut a melegebb részbe, ezzel bezárult a kör.

Persze számos kérdés merül fel: Milyen folyadék válik hatékonyan légneművé 50-60 fok környékén? Mi van, ha elforr az összes lé? Mi van, ha nem bír felforrni? Mi van, ha nem elég a kapillárishatás vagy a gravitáció a folyadék visszajuttatására, mert ugye a legtöbb processzoron vagy grafikus kártyán alkalmazott hőcső vízszintes állásban helyezkedik el.

Ezekre a kérdésekre szerencsére már a tervezési fázisban lehet válaszolni: a folyadék a biztonság kedvéért víz, a belső nyomást úgy alakítják, hogy a párolgás hatásfoka 30-80 fok között is jó legyen, de ne forrjon fel a folyadék, mert olyankor a légbuborékok elállnák a visszajutó folyadék útját. A szükséges paraméterek öt százalékos pontossággal kiszámolhatóak.

A működésre a gravitáció esetleges hiányának leküzdése érdekében kialakított belső erezet gyakorolja a legnagyobb hatást. Három lehetőség van. A legegyszerűbb hosszirányú csatornákat létrehozni. Komolyabb kapillárishatás érhető el változó irányú barázdákkal, de a legjobb a szivacshoz hasonló porózus szerkezet kialakítása, ám ilyenkor szem előtt kell tartani a folyadék molekuláinak méretét és a gázbuborékok esetleges elzáró hatását.

A csatornás, a barázdált és a porózus belső kialakítás

Miért jó?

Hogy hogyan néznek ki belülről a számítógépekben használatos hőcsövek, arra egyelőre nem válaszolunk, lássuk egy jól működő csöves hűtő előnyeit a hagyományos bordákkal szemben. Néha egy kép is többet mond ezer szónál; a Thermacore egyik ábráját vettük kölcsön, melyen egy 12 x 12 cm alapterületű és 23 cm magas alumíniumbordát láthatunk három darab hőcsővel és nélkülük. Egy 75 wattos hőforrás helyezkedik el a borda jobb oldalától 1,3 centiméterre. (Megjegyzés: egy 75 wattos villanykörte felülete méréseink szerint 116 fokos).

A hagyományos borda és a heat-pipe-pal támogatott borda hőeloszlása

A sima borda hőeloszlása láthatóan egyenetlen, az egyik vége 112, a másik 50 fokos; hőellenállása 0,96 C/W. A csövek segítségével a hőeloszlás sokkal egyenletesebb, a hőellenállás pedig 36 %-kal kisebb.

Az egyenletes eloszlás mellett van még egy előnye a hőcsőnek: a hővezetés. Segítségével a keletkezett meleget hatékonyan a légáramlás irányába lehet vezetni. Gondoljunk csak egy hagyományos processzorhűtőre, melynek ventilátora az alaplap felé tolja a meleg levegőt, ezzel fűti a környező feszültségszabályozókat. Egy heat-pipe-os egység, mint például a Coolink Bear vagy a Thermaltake Silent Tower egyenesen a ház hátoldala felé fújja ki a nemkívánatos meleget. A grafikus kártyákat hűtő vagy mobil gépekben szolgálatot teljesítő darabokon már ma is láthatjuk, hogy a vezetőképesség és a rugalmas alakíthatóság korábban nem látott megoldásokra ad lehetőséget.

A hőcsövek kihasználására ízelítőt ad a Zalman TNN 500A háza, amelyben az alaplapot és a grafikus chipet is csövek hűtik, bordának pedig a ház falát használják. A módszer rugalmasságban vetekszik a vízhűtésesekkel, és a zárt csövek miatt biztonságosabb. Ha valami katasztrófa okán mégis kilyukadna a hőcső, akkor sem kell elázástól tartani, ugyanis a benne lévő néhány gramm víz a fal anyagában van felszívódva.

Forrás: http://prohardver.hu/teszt/heat-pipe_elmeletben_es_gyakorlatban/elmeleti_alapozas.html