Un heat pipe è un conduttore termico 2-phase e si presenta come un dspositivo tubolare metallico, ermeticamente sigillato in grado di condurre il calore con grande efficacia a distanze significative. Questi lunghi tubetti metallici sono frequentemente utilizzati integrandoli in dissipatori per processori, dai quali collettano il calore e lo trasportano ad un’alettatura di norma soggetta a convezione forzata. Ciò avviene assorbendo il calore a un’estremità dell’heat pipe (evaporatore) e trasferendolo all’ambiente all’altra estremità (condensatore). Nella sezione quasi-adiabatica del heat pipe viene sfruttato il calore latente di evaporazione di un fluido di lavoro in esso contenuto.

Un heat pipe è composto da tre componenti: un tubetto a parete sottile sigillato alle estremità, una struttura porosa che lo riveste internamente ed un fluido interno di lavoro, liquido o gassoso secondo il range di temperatura a cui l’heat pipe si trova ad operare.

Quando l’heat pipe riceve calore, per sempio ad un’estremità, la parte liquida del fluido di lavoro evapora. Si crea un forte gradiente di pressione che trasla il vapore all’altra estremità (più fredda) dell’heat pipe. Qui il vapore condensa rilasciando il calore attraverso la sua parete ad un dissipatore a cui è collegato. Il fluido di lavoro ridiventa liquido e ritorna per gravità o capillarità alla parte evaporatrice dell’heat pipe, ricominciando così un ciclo super-efficiente di trasporto del calore. Considerando che il fluido di lavoro è presente sia in fase liquida che di vapore, si crea una zona di vapore condensato e la differenza di temperatura lungo l’heat pipe risulta molto contenuta (l’heat pipe è quasi isotermico) con bassa resistenza termica (delta T di pochi °C). L‘heat pipe può quindi trasportare calore su lunghe distanze con una minima perdita.

L‘heat pipe è in genere realizzato con un materiale buona conducibilità termica, spesso rame ad elevata purezza. Comunque la struttura porosa e il fluido di lavoro sono aspetti fondamentali per il suo corretto funzionamento e devono essere definiti opportunamente.

Come già descritto, all’interno di un heat pipe ci sono la parte porosa e un fluido di lavoro, la cui evaporazione/condensazione fa sì che l’heat pipe funzioni. Entrambi questi elementi sono influenzano notevolmente la sua performance termica.

La struttura porosa interna serve a generare forze capillari, necessarie perchè il fluido di lavoro possa tornare all’evaporatore dopo che si è condensato. La posizione spaziale dell’heat pipe durante il funzionamento influenza il tipo e le dimensioni della struttura porosa. Nel caso in cui l’heat pipe lavori contro gravità, la struttura porosa viene realizzata con opportune polveri sinterizzate di rame. In generale, più fine è la dimensione delle particelle, maggiori saranno le forze di capillarità. Nel caso di funzionamento in orizzontale, o in favore di gravità, gli heat pipe hanno invece al lori interno micro-gole longitudinali.

Il fluido di lavoro utilizzato è altresì essenziale per il corretto funzionamento degli heat pipe. Deve avere un alta tensione superficiale ed elevata entalpia di evaporazione, ma allo stesso tempo essere a bassa viscosità. In Hala, generalmente lavoriamo con heat pipe che utilizzano acqua come fluido di lavoro, l‘entalpia di evaporazione dell’acqua è molto elevata (40.66 kJ/mol). Per applicazioni a bassa temperatura o al di sotto di 0°C, si utilizza ammoniaca, la cui entalpia di evaporazione è 23.35 kJ/mol.

Oltre agli heat pipe tubolari esistono anche heat pipe “planari“ chiamati vapour chamber (VC). Rispetto agli heat pipe tubolari, le vapour chanber non vengono utilizzate come mezzo di trasporto del calore, ma bensì come diffusori termici.

Le vapour chamber funzionano con lo stesso principio degli heat pipe, ma geometricamente sono piane. Non sono pertanto componenti tubolari, ma componenti piani di basso spessore, in grado di trasportare il calore tramite evaporazione di un fluido in esse contenuto. Per questo motivo sono spesso chiamate heat pipe piatte. Le vapour chamber possono essere realizzate tramite due semi-gusci di rame, di cui uno con struttura porosa, uniti a formare la cavità in cui viene caricato il fluido di lavoro.

Dato che le vapour chamber hanno una superficie di contatto molto ampia, sono degli ottimi diffusori termici, in grado di rendere perfettamente isotermica la superficie di contatto. Le vapour chamber sono utilizzate per esempio nei notebook, per “spalmare“ il calore generato da piccoli componenti su un’area più ampia come ad esempio la base di un dissipatore.

Il funzionamento di una vapour chamber si differenzia di poco da quello di un classico heat pipe tuolare. La principale differenza consiste in una più grande superficie di contatto che permette alla vapour chamber di essere posta in contatto con più sorgenti di calore contemporaneamente. Ciò compora che il calore generato da diversi componenti viene ad essere distribuito uniformemente su una superficie più ampia, consentendo l’utilizzo di un unico dissipatore.

Le vapour chamber vengono sempre più utilizzate nei laptop, dove per anni si è preferito l’utilizzo degli heat pipe per ragioni di costo. Se sia meglio utilizzare una vapour chamber o un heat pipe “classico“ dipende non solo dal tipo di applicazione, ma anche da requisiti di costo.

Abbiamo già spiegato il principio di funzionamento del heat pipe: si tratta di un conduttore di calore molto efficace, in grado di trasportare calore su lunghe distanze sfruttando minime differenze di temperatura. Per sfruttare appieno questa loro caratteristica, va assicurato che ci sia un dissipatore opportunamento dimensionato, collegato all’heat pipe stesso. Di norma si tratta di un dissipatore in aria, attivo o passivo o una piastra a ricircolo di liquido, collegata alle sorgenti di calore attraverso gli heat pipe stessi.

Più semplicemente: gli heat pipe sono componenti passivi di un sistema di raffreddamento più complesso, che può essere attivo o passivo a seconda dell‘applicazione.

Dove vengono utilizzati i dissipatori con heat pipe?

Grazie alla loro flessibilità di utilizzo, gli heat pipe sono ampiamente utilizzati in molteplici settori:

• Automotive (ad es. fanaleria LED, powertrain, batterie per veicoli elettrici, sistemi di informazione e intrattenimento, mobilità elettrica)
• Industriale (ad es. computer con processori ad elevata prestazione, server, schede grafiche, viedogiochi, prodotti IoT, sistemi di visione, LED ad elevata performance)
• Alimentatori (convertitori di tensione, inverter)
• Elettronica di consumo
• Difesa, militare e aerospaziale

La principale ragione del frequente utilizzo degli heat pipe sta nella loro possibile diversificazione:

Gli heat pipe tubolari, ad esempio, possono essere atteggiati nelle tre dimensioni spaziali. Possono essere realizzati con uno o più tratti schiacciati o piegati. Possono anche essere inseriti deformandoli in gole ricavate nelle base die dissipatori in modp da essere in diretto contatto con i componenti caldi. Se realizzati in piccole dimensioni per applicazioni come smartphone, joy stick e consolle, ci si riferisce a loro come nano-heatpipe. In queste applicazioni vengono sempre più utilzzate vapor chamber di spessore 0,5mm o anche inferiore. In sistemi più complessi vapour chamber e heat pipe sono spesso utilizzati insieme a formare soluzione ibride di raffreddamento.

Una speciale configurazione è rappresentata da heat pipe cilindrici di grande diametro denominati “heat column“, con parte porosa in sinterizzato e caratterizzati dal fatto che il calore viene collettato attraverso il diametro e reditribuito lungo la superficie cilindrica del heat pipe, sulla quale può essere posizianto un dissipatore radiale (estruso o ad alette interlacciate). Grazie al loro elevato volume può essere gestita energia termica fino ad oltre 100W.

Anzitutto occorre ricordare che un heat pipe non è, da solo, un sistema di raffreddamento. Un heat pipe è parte di un sistema di raffreddamento, in quanto viene utilizzato in combinazione con un dissipatore al quale il calore deve essere trasferito. Se questo non è il caso, l’heat pipe semplicemente sale di temperatura, ma sottrae ben poco calore calore alla sorgente termica a cui vine collegato. Un heat pipe quindi può lavorare solo se è installato correttamente ed è ben integrato in un sistema o assieme di raffreddamento.

Un sistema di raffreddamento, o una soluzione termica come la chiamiamo noi in HALA, è un sistema progettato per evitare il surriscaldamento in applicazioni elettroniche e/o elettromeccaniche. A questo proposito, il calore dissipato viene trasferito dal punto in cui è generato a un dissipatore, attraverso l’utilizzo di heat pipe. In questo modo il componente di potenza resta al di sotto della temperatura operativa critica e funziona in condizioni ottimali.

Quando si utilizzano gli heat pipe occorre ricordare che sono sistemi chiusi e sigillati. Il rispetto quindi del range di temperatura specificato è essenziale, altrimenti l‘heat pipe può deformarsi per elevata pressione interna. Grazie alla loro forma, gli heat pipe a sezione circolare sono meno sensibili alla temperatura (fino a 200°C) rispetto agli heat pipe schiacciati o le vapour chamber (in genere fino a 110°C ed in base alla loro geometria). Un heat pipe funziona correttamente solo rispettando le condizioni per le quali è stato progettato e realizzato. L‘adattamento del design ad una specifica applicazione evita inoltre che venga utilizzata una soluzione oltremodo complicata e più costosa.

Nei sistemi di raffreddamento in aggiunta agli heat pipe, gap filler, foil, pad termoconduttivi e materiali di interfaccia termica a cambiamento di fase devono essere utilizzati per migliorare la conduzione del calore in ingresso all’evaporatore, punto più critico, ed in uscita al condensatore. Quale sia la miglior scelta di materiale termoconduttivo per una determinata applicazione dipende da un numero di fattori elencati qui di seguito.

Se volete acquistare heat pipe, potete trovare nel web una ampio range di differenti tipologie: quella più conosciuta e frequente è l‘heat pipe tubolare a sezione circolare. Hala sviluppa e offre assiemi ad heat pipe personalizzati con heat pipe tubolari, a sezione circolare o rettangolare (schiacciata) o assiemi con vapour chamber (VC) o heat column.

Per trovare l’heat pipe adatto alla vostra applicazione, vanno considerati i seguenti fattori:

1. carico termico da gestire e tipo della sorgente di calore
2. sistema di dissipazione termica (dissipatore)
3. contatto con la sorgente di calore
4. posizione spaziale e geometria dell’heat pipe

Inoltre, ci sono ovviamente condizioni al contorno legate al progetto, al budget disponibile, alla fattibilità produttiva e ai volumi richiesti dal progetto specifico.

Al fine di individuare la miglior soluzione ad heat pipe e considerando tutti questi fattori, è essenziale procedere in maniera sistematica poiché la gestione termica non si completa con l’heat pipe, ma richiede un sistema integrato nel quale ogni dettaglio è quello giusto.

Quindi tutti i fattori sopra menzionati vanno combinati correttamente, in particolare scegliendo materiali di interfaccia termica adeguati, come ad esempio i foil termoconduttivi per garantire giunzioni di minimo spessore ed ottimizzare il contatto termico.

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