Arbetstemperaturområde för heatpipes till CPUer

[rikkitikkitavi]

En del processorkylare är baserade på heatpipes för att leda ut värme till kylytorna effektivt.

Någon som har en uppfattning om vilka temperaturområden dessa kan arbeta effektivt och tillförlitligt?
Jag har testat några för att mäta den termiska resistansen och då arbetat med upp till ca 55C på flänsarna.

Vågar man arbeta upp emot 60-70C kontinuerligt. det medför isåfall rejäl kylkapacitet

(jag har några som jag mäter till ca 0,2-0,25 C/W med fläkten på maxvarv, och den väger inte mer än 500 gram och är ca 12*12*8 cm)

[XCore]

Ser inte varför det inte skulle gå, jag har en processor kylare, noctune eller något sånt, gjort för 2011 sockeln.
Sett videos där dom maxar ut processorer med den kylaren, och ligger runt 80-90 i flera timmar ( under testen ).
Även sett nån där dom låg på gränsen till vad moderkort och processor klarar, typ 120 grader med den.
Är det något i heatpipsen som kan bli galet eller är det bara hur mycket dom kyler bort värmen du söker efter?

[xxargs]

hetpipe är rör som är evakuerade på luft med införd liten mängd destillerat vatten samt har någon form av veke-konstruktion i sig som metallfläta eller skåror i rörväggarna kapillärt gör att vattnet som kondenseras i ena änden förs tillbaka till den ändan som är varm för att fungera när rören ligger horisontellt .

om man tittar på möjlig transportkapacitet värme så ökar det väldigt snabbt med värme från kanske 40 grader C tills det begränsas av massatransporterna i röret i gasform och framförallt kappilären tillbaka till den heta sidan.


en ide vad det handlar om kan man få om man tittar på vattnets tryck vid olika temperaturer med

Kod: Markera allt

temperatur C    tryck Bar absolut
    30               0.042
    40               0.074
    50               0.124
    60               0.199
    70               0.312
    80               0.474
    90               0.718
    100              1.014
    110              1.144
    120              1.987    
    130              2.703
 

och alla som bränt fingrarna på ångan som pyser ut vid locket på den kokande grytan vet att värmetransportkapaciteten är löjligt hög för vattenånga vid 100 grader C

Och man ser att det händer väldigt mycket med trycket från ca 60 grader och uppåt och förmodligen ligger max kapacitet nära 100 grader och begränsas av strömmingstekniska detaljer, troligen på kapillär/flätan-sidan om det inte är stående rör där det kan droppa tillbaka efter rörväggarna om inte gashastigheten på ångan är så stor att det håller tillbaka flödet...

för temperaturer från 50 till över 100 grader så är vatten perfekt som 'kylmedie' tack vare sin extremt höga förångningsvärme - hade man försökt med traditionella köldmedier som R134a etc. så hade vätskeflödesvolymen behövas öka med en faktor 10 ggr och då hade det helt klart blivit ett bekymmer rent gas och vätsketranportmässigt i röret.

kör man inte över 100 grader så är det fortfarande undertryck i rören och därmed ingen fara att det skulle brisera eller något sådant och rent funktionellt ser jag heller inte någon faktor som säger att det plötsligt skulle sluta att fungera om man kommer över ett visst gradtal tex. 100 grader C (däremot om man kommer över 373.95 grader C så går man över vattnets kritiska punkt och kan inte vara i vätskeform oavsett tryck).

dock - den här typen av rör fungerar inte med minusgrader på kalla sidan då vattnet fryser och hittar inte tillbaka till varma sidan och närmast till hands med frosttålig lösning är då ren metanol med ungefär dubbla massaflödet och 2.8 ggr volymflödet på kondensatet för samma kapacitet och skall det arbeta kallt med hög kapacitet så är torr ammoniak ett alternativ med också ungefär dubbla massaflödet som vatten men 3.3 3gg volymflödet av kondensatet för samma kapacitet.

[Icecap]

Den video jag såg om hur man gör egna heat-pipes användes aceton som media, alltså är vatten inte det enda som finns. Ingen evakuering skedde heller.

[xxargs]

Det man måste försäkra sig är att det inte är någon luft kvar för högsta effektivitet - kokar vätskan så att dess ånga pyser ut ur röret ett kort tag innan man försluter så bör man fått ut det mesta av luften.

Detta gäller oavsett arbetsmedia i rören då luft, även i små mängder samlar sig vid ytorna där det kondenserar, kan lätt minska flödet till kanske 1/10-delar av vad det hade när det är helt luftfritt. kort sagt luften är i vägen och arbetsgasen tvingas diffundera igenom lagret även om skikten till synes kan vara väldigt tunna. detta är också en orsak till varför det är noga med vakumsugning i tex värmepumpar och kylmaskiner då även små mängder luft eller annan icke kondenserbar gas minskar verkningsgraden och gör att maskinen tappar i COP

aceton har ungefär hälften så hög förångningsvärme som metanol, men dubbelt så hög ångtryck vid rumstemperatur och ungefär samma densitet. Förmodligen är vätskeåterföringen som det är mest problematiskt i sådanahär lösningar och i det avseende så är etanol bättre med mindre flytande volym som behöver transporteras tillbaka för samma transporterad värmemängd.

[rikkitikkitavi]

Just det, det räcker med en halv procent icke kondenserbara gaser (luft) så faller värmeöverföringen dramatiskt, minst en tiopotens.

Nu vet jag inte om det är vatten i dessa heatpipes men det mekar ju sense map temperaturintervallet de arbetar och tillgången till ett bra, ogiftigt värmetransportmedia som vatten

Lite praktiska försök:

Jag körde kylaren utan fläkt, och lät den kylas av egenkonvektion. Det var ca 22 C i rummet.
Jag hade ett effektmotstånd monterat på kylarens processoryta och mätte temperaturen på denna närmast motståndet. det var ca 1-2 C variation över ytan.

Ialla fall fick jag följande resultat:

Kod: Markera allt

Effekt (W) Temperaturhöjning (C) Termisk resistans (C/W) Flänstemp (C) 
   30                     21                                0,7                    43
   60                     39                                 0,65                 61

värmetransporten ökar med stigande temperatur, vilket visar sig med lägre termisk resistans vilket är att vänta sig, både för att heatpipen blir effektivare men också för att egenkonvektionen ökar med ökande temperatur.

[danei]

Vatten är nog det vanligaste om man inte har krav på funktion under 0°C. Det finns inget ämne med bättre kapacitet.

[rikkitikkitavi]

Ja , vatten är unikt. Det är synd att förstöra dess egenskaper genom att späda ut det med etanol ibland.

[Glenn]

Jag har för mej att jag läst nån artikel där dom gör egna heatpipes, men jag har precis för mej att dom använde butan ? ..kan det stämma ? varför isåfall ?

..Sen så kan jag tillägga att om man sågar i heatpipes från billiga prylar (typ en hårddiskkylare för 50:-) så verkar dom vanligen bara vara tomma rör, inte flätan som dyrare har, och jag vete 17 om det är nån vätska alls i dom, eller ens undertryck.

[blueint]

Om man stoppar in heatpipe:en i en "väl isolerad" låda samt mäter tillförd elektrisk energi och resulterande temperatur borde man kunna uppmäta vid vilka temperaturer som ger fasövergångar. Detta borde ge svar på vilket media som används samt lämpligt arbetstemperaturområde.

[rikkitikkitavi]

heatpipes som monteras vertikalt behöver inte veken invändigt, vätskefilmen rinner tillbaka av sig själv.

det behövs inte många droppar vatten i en heatpipe som är ca 5mm*200mm för att ge en atmosfärs tryck @100C.
när man öppnar en sådan i rumstemp är dessutom vätskan samlad på ett ställe. filmen är amtagligen tunn.

[xxargs]

Om man stoppar in heatpipe:en i en "väl isolerad" låda samt mäter tillförd elektrisk energi och resulterande temperatur borde man kunna uppmäta vid vilka temperaturer som ger fasövergångar. Detta borde ge svar på vilket media som används samt lämpligt arbetstemperaturområde.

fasövergången är alltid igång så fort det finns minsta temperaturskillnad på röret (tar man en sådant rör i handen så märker man att hela rörlängden värms precis lika mycket över hela längden fast man bara håller den i en änden och man har inte den typiska gradienten där det är varmast där man håller och blir kallare ju längre ut) - däremot är kapaciteten kraftigt varierande med temperaturen och bestäms av gashastigheten m/s och densiteten i arbetsgasen i fråga utöver förångningsvärmen för arbetsmediat i fråga..

vattenånga vid +1 grad har densiteten 5.196 gram/m^3 medans vattenånga vid 100 grader C har densiteten 598 gram/m^3 vilket ger en faktor av 115 ggr i transportkapacitet av värme vid samma gashastighet i röret.

---

den som känner för kan ju räkna på hur många liter vattenånga för ångtryck motsvarande 60 grader C som måste transporteras för motsvarande 50 Watt [1] värmetransport och också räkna på hur hög gashastigheten måste vara i röret om den är 5 mm i innerdiameter - och därefter fundera på om en droppe vatten i den gashastigheten har möjlighet att vandra i motsatt riktning eller om den hela tiden blåses tillbaka till den kalla sidan tills varma sidan blivit torr och sluta/minskar att producera gas och då doppa ned och gasproduktionen startar igen...

och när man gjort detta kan gå vidare med etanol, ammoniak och senare Butan/R134a etc. traditionella köldmedier och se om det fortfarande går att använda 5 mm rör för denna kapacitet eller om man måste ha grövre rör.




























[1]

vatten:

entalpi flytande vid 60 grader C = 251.18 kJ/kg
entalpi gasform vid 60 grader C = 2608.8 kJ/kg

(differensen mellan dessa är alltså förångingsvärmen/kondensationsvärmen vid fasomvandlingen i antal kJ/kg vilket här blir 2357.6 kJ/kg eller 654.9 Wh/kg )

densitet vatten vid 60 grader C = 983.16 gram/l
densitet vattenånga vid 60 grader C = 0.1343 gram/l

vatten har vid 60 grader C ångtryck av 199.46 mBar absoluttryck (0.19946 Bar absoluttryck)

man ser att vid 50 Watt belastning så kräver det 50 / 654.9 = 0.076 kg vatten måste förångas för värmeöverföringen och då densiten är 0.1343 gr/litern så blir det 568.5 liter ånga per timme eller 0.158 liter per sekund som skall dras igenom en 5 mm innerdiameter rör - om vi räknat i cm^2 så blir det med 0.25 cm^2 * PI = 0.196 cm^2 i area och på 100 cm längd rymmer då 19.6 cm^3 i volym per meter och med 158 cm^3 i sekunden genom 19.6 cm^3 så får man en gashastighet på ca 8 m/s eller 29 km/timmen

personligen tror jag inte att vattendroppar/vattenfilm kan glida ned efter väggytorna på stående röret av gravitationen om den samtidigt har en gasström av 8 m/s i motsatt riktning, även om den bara är 1/5-dels atmosfär i tryck...

[Henry]

Därför används olika typer av kapillärprinciper som drar tillbaka vätskan för bätte effektivitet men med en slät yta så är det nog annorlunda som sagt.



---

Heatpipes innehåller en så liten mängd vatten att veken bara precis är mycket lätt fuktad för att det hela skall fungera optimalt och detta är väldigt svårt att se.

Jag gjorde för ett antal år sedan en mycket enkel heatpipe av ett kopparrör ca 2 dm lång 8 mm brett utan veke men med för tjock vägg på runt 0.7mm. Fyllde den med en mängd propan jag uppskattade skulle vara rätt mängd och som ett enkelt snabbt test så doppade jag den ena änden av röret i kokande vatten och knappt 1 sek senare brände jag handen av mig då jag ju inte använde en tång då jag ju förstås inte trodde att det skulle gå så jäkla snabbt.

Gjorde inga andra tester med det för att se hur det fungerade vid lägre temperaturer och dylikt.


Angående att tillföra mer värme än 100 grader så gjorde jag det en gång för att veckla ut en böjd heatpipe. Den blåstes föstås upp så att den blev rund och vecklade då ut sig nästan helt men efter att jag plattat till den så fungerade den som vanligt igen vad det verkade utan några utförliga tester.

Det finns sedan olika uppbyggnader där vissa bara har tunna kapillärer gjorda på insidan av röret och dessa är nog inte lika petiga med detta som de med veke som ju måste var i kontakt med höljet.

[danei]

Jag byggde för länge sedan en vattenbaserad av en 33cl läskflaska. I med lite vatten och in med den i mikron och koka ordentligt, sedan på med kapsylen fort.
Jag lyckades få vattnet att koka genom att ställa den uppochner på en processor, men särskilt effektiv var den inte. Kontakten mellan CPU och kapsyl var dålig, och glas är ingen bra värmeledare. Men det är ett bra sätt att demonstrera principen.