Bagaimana Pipa Panas (Heat pipe) bekerja?

Perangkat elektronik mengalami perkembangan yang pesat. Berbagai ukuran perangkat elektronik juga menjadi semakin kecil. Penggunaan fin (sirip) dan fan (kipas) konvensional untuk mendinginkan perangkat elektronik memerlukan dimensi yang cukup besar dalam pemasangannya seiring dengan semakin besar panas yang dibuang. Oleh karena itu, teknologi pipa panas (heat pipe) menarik untuk digunakan karena dimensinya yang kecil dan tidak memerlukan daya eksternal untuk membuang panas seperti fin dan fan konvensional.  Pada artikel ini, cara kerja heat pipe akan dipaparkan.

Gambar 1. Heat pipe dalam sebuah laptop. (Kristoferb at English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0))

Perkembangan teknologi mikroelektronika telah berkembang pesat terutama perangkat elektronik seperti smartphone. Perkembangan ini dinilai pada kinerja yang tinggi, bobot yang ringan dan ukuran yang kecil. Hal ini mengakibatkan cip elektronika berdaya tinggi menghasilkan fluks panas yang tinggi pada ruang pembuangan panas yang terbatas. Sebagai contoh, konsumsi daya dari CPU (central processing unitsmartphone mengalami peningkatan yang sangat signifikan dari < 1 Watt pada tahun 2011 menjadi 3-5 Watt pada tahun 2016-2018 [1].

Namun, ruang untuk pembuangan panas semakin berkurang karena kebutuhan smartphone yang tipis dan ringan. Sebagai contoh, smartphone SAMSUNG Galaxy A3 memiliki ketebalan 6,9 mm sedangkan Galaxy A9 memiliki ketebalan 5,9 mm [1].

Konsep heat pipe pertama kali dikemukakan oleh Richard S. Gauler dari perusahaan General Motor Corporation pada 1942. Namun temuan Gauler ini tidak efektif sehingga proposalnya tidak diketahui banyak orang. Kemudian, pada tahun 1963, George M. Grover dari Laboratorium Los Amos secara independen menemukan perangkat serupa  dan memberi nama "heat pipe". Pada awal penemuanya, heat pipe hanya diperuntukkan bagi sistem pembangkit listrik yang khusus digunakan pada pesawat ruang angkasa [2]. 

Heat pipe telah mengalami perkembangan yang pesat hingga digunakan untuk pendingin CPU komputer. Bahkan, heat pipe digunakan untuk mendinginkan komponen elektronika di dalam satelit pada gaya gravitasi nol. Heat pipe merupakan konduktor yang sangat efisien serta dapat memindahkan panas sekitar seribu kali lipat lebih baik daripada perpindahan panas konduksi tembaga padat [3]. Karena performa heat pipe yang menjanjikan teknologi dan penggunaan heat pipe berkembang pesat untuk diaplikasikan di berbagai aplikasi industri hingga sekarang.

Heat pipe merupakan perangkat perpindahan panas yang menggabungkan konduksi dan transisi fase fluida untuk menghasilkan panas yang efektif.  Setiap heat pipe memiliki 3 komponen yaitu fluida kerja sebagai media perpindahan panas menggunakan evaporasi dan kondensasi; heat pipe envelope, merupakan wadah bertekanan dan anti bocor untuk mengisi fluida kerja; dan heat pipe wick yang mengalirkan fluida cairan dari kondensor ke evaporator menggunakan gaya kapiler. Siklus panas pada pipa panas dapat dijelaskan sebagai berikut (perhatikan Gambar 2). Pertama, fluida kerja terevaporasi (menguap) karena menyerap energi panas. Kedua, uap fluida kerja bergerak sepanjang rongga pipa menuju ujung pipa yang bertemperatur rendah. Ketiga, uap terkondensasi menjadi cairan dan terserap oleh material wick (bahan berpori-pori) dan membuang energi termal pada kondensor. Keempat, fluida kerja cair mengalir melalui wick menuju ujung pipa yang bertemperatur tinggi.

Gambar 2. Ilustrasi penampang melintang Heat Pipe.

Perpindahan panas melalui proses evaporasi dan kondensasi melalui pipa yang memiliki konduktivitas termal sebesar 100.000 W/(m K). Pemilahan fluida kerja dan material sumbu ditentukan berdasarkan rentang temperatur operasi. Fluida kerja harus berada pada kondisi saturasi (mengandung uap dan cairan) agar heat pipe dapat beroperasi. Misalnya, fluida kerja air mampu mentransfer panas antara triple point (0.01 ^{\circ}C) dan titik kritis (373.9 ^{\circ}C). Biasanya heat pipe beroperasi pada kisaran temperatur 25 ^{\circ}C sampai 150 ^{\circ}C. Pada temperatur rendah, properti fluida membatasi perpindahan panas. Pada temperatur tinggi, bahan tembaga untuk menahan tekanan uap menjadi tebal dan tidak aplikatif. Pada umumnya, pada rentang temperatur rendah digunakan fluida kerja ammonia, methanol dan air untuk aplikasi elektronik [3][4]. 

Material wick merupakan salah satu komponen penting dalam rangkaian heat pipe. Gaya kapiler tergantung pada ukuran pori dari sumbu dan jari jari kelengkungan antarmuka gaya kapiler. Semakin kecil ukuran pori, semakin rapat jari-jari kelengkungan sehingga semakin tinggi tekanan kapiler yang diperoleh. Namun, aliran kapiler yang memiliki penurunan tekanan saat pori-porinya besar sehingga ada pertimbangan dalam desain wick [5]. Pada dasarnya, jenis wick terbagi menjadi tiga tipe yaitu screen, sintered dan grooved seperti yang dipaparkan pada tabel 1.

Tabel 1. Jenis dan karakter material wick

Screen Sintered Grooved
  • Digunakan untuk heat pipe yang kompleks
  • Performa tinggi
  • Cocok untuk aplikasi dengan gravitasi mikro (seperti pada orbit bumi)
  • Murah
  • Penurunan tekanan rendah
  • Penurunan tekanan paling rendah
  • Aksi kapiler rendah
  • Aksi kapiler tertinggi
  • Aksi kapiler paling rendah
  • Cocok untuk percepatan yang tinggi

Agar diperoleh aliran sirkulasi aliran fluida yang stabil pada pipa kapiler, maka kemampuan pemompaan pipa kapiler dideskripsikan sebagai berikut:

\Delta P_c \geq \Delta P_g + \Delta P_V + \Delta P_L.

Dengan \Delta P_c merupakan gaya kapiler yang dibangkitkan oleh material wick, \Delta P_g merupakan penurunan tekanan akibat gravitasi dan akselerasi, \Delta P_L merupakan penurunan tekanan fluida cair dalam wick, dan \Delta P_V merupakan penurunan tekanan fluida uap di heat pipe.

Demikianlah ulasan singkat cara kerja pipa panas atau heat pipe. Banyak teknologi terkini memanfaatkan pipa panas; Smartphone, laptop dan PC adalah beberapa di antaranya. Pemahaman terhadap cara kerja perangkat tersebut akan memudahkan kita untuk menyelesaikan masalah dan berinovasi dengan memaksimalkan potensi cara pipa panas.

Referensi

  1. H. Tang, Y. Tang, Z. Wan, J. Li, W. Yuan, L. Lu, Y. Li, and K. Tang. "Review of applications and developments of ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling." Applied Energy 223 (2018): 383-400.
  2. G. Yale Eastman, "The Heat Pipe". Scientific American 218 (1968): 38-46.
  3. https://www.1-act.com/resources/heat-pipe-fundamentals/heat-pipe-article-1968/ [Heat Pipe Article In 1968]
  4. https://www.1-act.com/working-fluids/ [Heat Pipe Working Fluids]
  5. https://tfaws.nasa.gov/wp-content/uploads/Heat-Pipes-Short-Course.pdf [Heat Pipe Short Course]

 

Teguh Hady Ariwibowo

Teguh Hady Ariwibowo

menyelesaikan sarjana Teknik Fisika (2010), magister bidang Rekayasa Konversi Energi Teknik Mesin (2012) di ITS, dan doktor bidang Rekayasa Termal Teknik Mesin di Saga University Jepang (2020). Saat ini menjadi Dosen di Sistem Pembangkit Energi di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS) sejak 2011.

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

CAPTCHA Image

*