Тепловая трубка ( heat pipe ). Устройство и принцип работы

Тепловая трубка ( heat pipe ) — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Если говорить научным языком, тепловая труба (ТТ) – это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева, или терморегулирования объектов. Перенос тепла в ТТ осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния (обычно испарение рабочей жидкости и ее последующая конденсация).

Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.

Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.

Сейчас широко используются в современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ, чипсетов и т. п. в компьютерах и ноутбуках, являясь, наряду с испарительными камерами и СЖО, одним из наиболее эффективных методов теплопереноса от компактного источника тепла к радиатору с развитой поверхностью. Иногда также применяются в составе смартфонов для перераспределения тепла.

Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах. Широко применяются в космической технике. Применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах.

Тепловые трубки имеют большой диапазон рабочих температур, скорость передачи тепла превышает скорость звука, и имеют ресурс работы более 20 000 часов, что их делает высокоэффективной и надежной технической системой.

Внутри находится рабочая жидкость - вода, и фитиль - несколько слоев из тонкой проволоки, либо специально спеченная керамическая крошка. Для того, чтобы вода закипала при более низких температурах, из тепловых трубок откачан воздух.

Современные тепловые трубки, которые используются для охлаждения компьютерной техники, заправлены следующим составом: water (90 %) some mixes, such as nitrogen (0,3 %), ammonia (7 %) and aldehyde HC 7 (2,7 %), по данным производителя.

Западный производитель тепловых трубок использует для фитиля обычную проволоку в дешевых изделиях, таких как охладитель винчестера Залман ZM-2HC2. В более качественных и дорогих процессорных кулерах, используется порошковое напыление, которое имеет более высокий КПД.

Чем можно заменить тепловую трубку, и возможно ли использовать вместо неё толстый медный стержень? Нет, увы, нельзя. Скорость и мощность теплопередачи, даже в самых простых тепловых трубах в сотни раз превышает теплопередачу по медному стержню того же диаметра. Чтобы заменить даже самую простую трубочку диаметром 6 мм, понадобится медный пруток толщиной с женскую руку.

Процесс охлаждения

В пластинчато-ребристом радиаторе возникает эффект "вытяжной трубы" (нагретый воздух в ограниченном с боков пространстве с большой скоростью движется вверх, подтягивая на свое место холодный воздух), что обеспечивает хороший обдув ребер радиатора. Коэффициент теплоотдачи такого радиатора составляет около 30 [Вт / (м² * °С).