Como funcionam os heat-pipes e vapor chambers

Apesar de seu uso crescente e da sua função essencial em muitos sistemas de refrigeração, os heat-pipes são uma tecnologia frequentemente incompreendida. Alguns acham que eles são meros tubos de cobre sólido, enquanto outros entendem que eles são baseados na evaporação de fluídos, mas não sabem explicar exatamente como isso acontece. Além de oferecerem uma eficiência impressionante em relação ao transporte do calor (cerca de 100 vezes mais do que um condutor sólido), os heat-pipes oferecem algumas possibilidades interessantes, como o fato de continuarem a funcionar mesmo quando montados de lado ou até mesmo de ponta-cabeça. Além deles temos os vapor-chambers, que apesar do formato diferente são baseados no mesmo princípio.

Os heat-pipes são usados como sistemas de transferência de calor, levando o calor da base (quente), até o dissipador (frio), usando uma pequena quantidade de líquido (geralmente uma mistura de água com etanol ou metanol) que é perpetuamente evaporado e condensado, criando a troca. Isso explica como eles podem ser tão eficientes, já que líquido e vapor permitem transportar o calor de uma forma muito mais eficiente que uma barra sólida de metal.

O heat-pipe é apenas parcialmente preenchido com o líquido. Todo o ar é retirado, criando um quase vácuo, o que favorece a evaporação e condensação do líquido, melhorando a eficiência. O princípio de funcionamento é simples: o líquido evapora com o calor produzido pela CPU ou GPU e condensa ao se aproximar das aletas do fan, onde a temperatura é bem mais baixa. O grande problema é como fazer o líquido condensado voltar para a parte quente, já que se apenas a gravidade agisse, os heat-pipes só funcionariam na vertical.

Para que eles funcionem em qualquer direção, o transporte é feito usando um “pavio” (wick). A ideia central é a mesma de quando você coloca o canto de um pano na água. O pano “puxa” a água, fazendo-a ir contra a gravidade. Este “pavio” pode ser composto de pó de cobre, depositado sobre as laterais do heat-pipe, espuma de cobre, produzida usando um processo mais complicado, ou mesmo outros materiais. De qualquer forma a aparência básica é a mesma: um tubo dentro do tubo, deixando a parte central vazia para a passagem do vapor:

Quando o heat-pipe é colocado em funcionamento, o fluxo de vapor gerado pela parte quente também ajuda no transporte do fluído condensado, criando um circuito rápido de evaporação e condensação que transporta o calor rapidamente.

Em seguida temos os vapor-chambers, que são basicamente heat-pipes achatados, que funcionam basicamente da mesma forma, mas oferecem uma flexibilidade maior, podendo ser usados em situações onde não seria possível acomodar tubos do diâmetro de um canudo, como no caso de muitos designs de coolers para GPUs e servidores, onde o vapor-chamber é usado para fazer a junção entre a base e as aletas do cooler:

Pode parecer um cooler de cobre convencional, mas se você pudesse fazer um corte transversal veria uma estranha camada parcialmente oca entre a base e as aletas, com apenas alguns milímetros de espessura:

Assim como em um heat-pipe, o vapor-chamber possui um lado quente e um lado frio, e é preenchido internamente com um fluído líquido e um “pavio” de espuma de cobre ou outro material que faz o transporte. A diferença é que em vez de um tubo temos um quadrado muito fino.

O vapor chamber tem unicamente a função de transportar o calor, mas ele o faz de forma muito mais eficiente que uma simples camada de cobre sólido, o que explica o uso em designs para TDPs elevados. Entre o heat-pipe e o vapor-chamber a questão central é o formato do cooler: se você tem espaço suficiente para acomodar tubos, os heat-pipes são a solução mais barata. Entretanto, se você precisa de algo muito compacto ou fino, os vapor-chambers acabam sendo a única opção.