DUNIA KOMPUTER JARINGAN: Mengenal Teknologi Heat Pipe

Mengenal Teknologi Heat Pipe

6/26/2010 09:30:00 AM

the master IT , Posted in Knowledge , 0 Comments

eat Pipe
Bagi para pemakai komputer yang sering memodifikasi PCnya terutama berkaitan dengan pendingin prosesor atau chip lainnya, tentu tidak asing dengan Heat pipe. Arti sederhana dari Heat pipe adalah sebuah alat yang dapat memindahkan panas dalam jumlah banyak dengan kondisi temperatur relatif konstan. Heat pipe tidak membutuhkan daya dari luar dan tidak ada bagian mekanis yang bergerak. Bandingkan dengan water cooling yang memerlukan berbagai alat dan daya input seperti pompa dan lainnya. Secara prinsip heat pipe adalah tabung yang diisolasi, dimana pada dinding bagian dalamnya mempunyai struktur wick (anyaman berpori) dan terdapat cairan sebagai penghantar panas. Heat pipe digunakan untuk mendinginkan komponen elektronik, digunakan pada AC, kulkas, dan lain-lain. Heat pipe juga digunakan pada laptop/notebook untuk mengurangi temperatur kerja komponennya. Teknologi Heat pipe dipatenkan pada tahun 1942 oleh R.S. Gaugler dari General Motor Corp, namun heat pipe tidak banyak disebut-sebut sampai ketika tahun 1962 teknologi ini digunakan pada pesawat luar angkasa!

Konstruksi Heat Pipe
Bahan yang sering digunakan untuk teknologi heat pipe adalah pipa berlubang yang terbuat dari tembaga, stainless steel, atau aluminium.

Photo courtesy of Dynatron Corp

Sedangkan cairan kerja yang digunakan harus memperhatikan desain temperatur kerja dari heat pipe. Cairan yang paling banyak dipakai adalah air dan ethanol/alkohol. Ada karakteristik tertentu berkaitan dengan cairan yang digunakan misalnya jika memakai air, maka harus diperhatikan bahwa air hanya akan cocok apabila digunakan pada temperature kerja antara 5 sampai 230°C. Tabel berikut memperlihatkan kisaran temperatur kerja untuk beberapa cairan yang digunakan dalam heat pipe.

Cairan	Kisaran Temperatur (°C)
Helium	-271 sampai -268
Hidrogen	-259 sampai -240
Neon	-248 sampai -230
Nitrogen	-210 sampai -150
Methanol	-182 sampai -82
Amoniak	-78 sampai 130
Air	5 sampai 230
Air raksa	200 sampai 500
Cesium	400 sampai 1000
Sodium	500 sampai 1200
Lithium	850 sampai 1600

Sebelum memilih cairan yang akan dipakai maka perlu pemahaman tentang hubungan temperatur dan tekanannya. Misalkan heat pipe berisi air didesain untuk melepaskan panas pada temperatur 70°C, maka tekanan dalam container harus dijaga pada 31.2 kPa, tekanan dimana air akan mendidih pada temperatur 70°C. Tekanan sekian jauh dibawah tekanan atmosfir yang 101 kPa, sehingga secara teori heat pipe akan beroperasi pada kondisi vakum (bisa jebol). Sebaliknya jika sekarang tekanan dalam pipa yang dijaga sesuai dengan tekanan atmosfir, maka pada temperatur 70°C air belum akan mendidih, karena pada tekanan atmosfer air baru mendidih jika temperatur mencapai 100°C. Jika pada temperature sekian heat pipe baru bekerja, maka peralatan yang akan didinginkan sudah terlebih dahulu hangus.

Sementara itu Wick berperan penting mengembalikan cairan ke bagian evaporator. Unjuk kerja wick tergantung dari strukturnya. Wick dapat dibuat dari keramik berpori atau jaring kawat stainless. Dapat juga dibuat dengan ekstrusi bersamaan dengan tabungnya.

Efek kapilaritas memungkinkan heat pipe mampu bekerja pada semua posisi, bahkan melawan gravitasi. Namun demikian, performa terbaik akan didapatkan bila arah tekanan kapilaritas searah dengan gaya gravitasi, dengan kata lain posisi evaporator berada di bawah. Sebaliknya performa terburuk jika evaporator berada di atas. Sementara dalam posisi horisontal, gaya garavitasi tidak berpengaruh terhadap kapilaritas. Dengan demikian performa dapat dilipatkan apabila diposisikan vertikal dengan evaporator dibawah, karena efek kapilaritas dibantu oleh gravitasi bumi.

Cara Kerja Heat pipe
Heatpipe terdiri dari tiga bagian: Evaporator (peng-uap; vapor=uap) yang berada pada salah satu ujungnya, dimana panas diserap dan cairan diuapkan; kemudian Condenser (peng-embun) yang terletak pada ujung lainnya dimana uap di-embun-kan dan panas dilepaskan; dan terakhir bagian adiabatic yang terletak di antara keduanya. Adiabatic adalah keadaan dimana tidak terjadi (atau sangat kecil, dapat diabaikan) perpindahan panas ke atau dari lingkungan sekitarnya. Adiabatic dapat terjadi berdasarkan dua kemungkinan: sistem diisolasi dengan sempurna, atau temperatur di dalam dan di luar sama.

Animasi cara kerja heatpipe dapat dilihat di:
http://www.dynatron-corp.com/images/products/heatpipe/heatpipe06.gif

Kerja heat pipe didasarkan pada prinsip fisika berikut:

- Pada tekanan tertentu, cairan akan menguap, sementara itu uap juga akan mencair pada temperatur tertentu (temperatur jenuh yang tidak bisa naik lagi), sehingga akan terjadi pengaturan tekanan di dalam heat pipe yang pada gilirannya juga akan mengatur temperatur kerja dan terjadi perubahan fase cair ke uap dan dari uap ke cair.
- Pada tekanan atau temperatur tertentu, jumlah energi panas yang diserap ketika cairan menguap akan sama dengan jumlah energi panas yang dilepaskan ketika uap air mengembun.
- Tekanan kapiler di dalam wick akan menggerakkan cairan dalam saluran wick tersebut, bahkan melawan gravitasi, akibat adanya efek kapilaritas.
- Cairan dalam suatu kanal bergerak ke arah tekanan yang lebih rendah.

Pada awalnya wick dipenuhi oleh cairan dan bagian dasar heat pipe (bagian evaporator) dipenuhi oleh uap. Ketika ujung evaporator terjadi kontak dengan permukaan panas, energi panas akan mengalir masuk ke heat pipe. Dalam kondisi jenuh (dimana penambahan panas tidak menaikkan temperatur, namun membuat cairan berubah fase jadi uap), cairan dalam ujung evaporator akan menguap sebagai akibat perpindahan panas tadi, menyebabkan tekanan uap naik. Karena adanya perbedaan tekanan antara ujung evapotaror dengan ujung condenser, maka uap akan bergerak ke bagian yang tekanannya lebih rendah, yaitu bagian condenser. Pada bagian condenser biasanya dipasang sirip pendingin untuk membantu pembuangan panas. Bagian condenser yang lebih dingin, atau dikondisikan dingin, akan mengakibatkan uap \"kehilangan\" energi panas dan dibuang ke media di sekelilingnya, dan uap akan meng-embun. Cairan hasil dari pengembunan ini kemudian masuk ke dalam saluran wick karena adanya efek kapilaritas, kembali ke bagian evaporator. Sehingga komplit terjadi satu siklus, dan begitu seterusnya.

Mengapa Harus Heat Pipe?
Secara empirik, heat pipe mempunyai konduktivitas thermal (kemampuan menghantar panas) yang jauh lebih efektif dibandingkan aluminium, tembaga atau bahkan perak. Misalkan kita tinjau dua medium dengan temperatur masing-masing TH dan TC. Sebuah heat pipe sederhana dengan air sebagai cairan kerjanya mempunyai konduktivitas panas (k) kira-kira 100.000 W/(m.°C). Bandingkan dengan dengan tembaga yang \"hanya\" 400 W/(m.°C). Jadi untuk tembaga setebal jarak TH dan TC apabila digantikan dengan heatpipe berisi air dengan panjang yang sama, akan diperoleh perpindahan panas yang 250 kali lebih besar!

Adalah lazim jika sebuah heat pipe mempunyai konduktivitas efektif 400.000 W/m.°C) yang berarti seribu kali nya tembaga. Sebagai contoh saja, heat pipa horizontal panjang 15 cm, diameter 6 mm dengan cairan kerja air, mampu memindahkan panas sebesar 300 W. Karena didasarkan pada siklus 2 fase (cair-uap) yang tertutup dan adanya efek kapilaritas, maka pada heat pipe tidak lagi diperlukan daya tambahan semacam pompa. Hal ini akan mengurangi perawatan dan konsumsi daya. Variasi temperatur akan minimal atau terjaga karena diatur oleh perubahan fasa. Heat pipe juga mempunyai respon panas yang tinggi dan kapasitas perpindahan panas yang besar. Heat pipe juga berfungsi layaknya dioda thermal, yang memungkinkan transfer panas dalam satu arah saja.

Lalu kenapa tidak memakai heat pipe?
Walaupun secara teori prinsip kerjanya sederhana namun dalam implementasinya, sulit. Ini berimbas pada sulitnya proses pembuatan dan mengakibatkan tingginya biaya yang dibutuhkan. Kesulitan-kesulitan lainnya adalah pelepasan panas juga sangat tergantung oleh kemampuan pada bagian condenser dan pemilihan cairan yang digunakan. Kemudian pada temperatur sangat rendah, cairan akan mengental yg mengganggu kerja kapilaritas pada wick. Kondisi yang tidak ideal juga dapat terjadi apabila tekanan kapilaritas tidak cukup mendorong cairan, sebagai akibat hilangnya tekanan saat terjadi perubahan fase dari uap ke cair.