Tepelná trubica

hliníkový chladič s tepelnou trubicou (meď)

Tepelná trubica (angl. Heatpipe, Heat Pipe) je technológia slúžiaca na prenos tepla (tepelného výkonu) pri zachovaní malého rozdielu teplôt. Prenos tepla je (podobne ako v chladničkách a mrazničkách) zabezpečený odparovaním a následnou kondenzáciou. Touto technológiou je možné preniesť veľký objem tepla pri malých rozmeroch zariadenia. Zariadenie nemá pohyblivé diely, je bezúdržbové, s veľmi dlhou životnosťou.

Princip činnosti

„Tepelná trubica“ je hermeticky uzatvorená trubica (rúrka), v ktorej sa nachádza pracovné médium (voda, alkohol, freón, ortuť, čpavok, hélium...) pri definovanom tlaku. Zahrievanie jedného konca trubice a ochladzovanie druhého konca spôsobí, že na „teplom“ konci trubice sa začne pracovné médium vo forme kvapaliny odparovať, pary trubicou prejdú na „chladný“ koniec, tu skondenzujú späť na kvapalinu a samospádom, alebo vzlínaním cez absorpčnú látku prejde kvapalina späť na „teplý“ koniec, kde sa znova odparí. Tým vznikne nútený obeh pracovného média spojený s prenosom tepla. Zariadenie teda funguje len pri teplotnom spáde (len ak existuje rozdiel v teplotách na koncoch tepelnej trubice). Čím je väčší rozdiel, tým je väčšia účinnosť prenosu tepla.

Použité médium závisí od rozsahu pracovných teplôt trubice, teplôt pri ktorom dochádza k odparovaniu a kondenzácii pracovného média (voda sa pri normálnom tlaku odparí pri 100° C) , okolitého tlaku a tlaku vo vnútri trubice. Pri nižšom tlaku (v trubici) je potrebné na vyparenie vody menej tepla, ale nižší tlak znamená vyššie náklady na výrobu trubice, na stabilitu trubice, vysoké rozdiely tlaku (vonkajší-vnútorný) vyžadujú hrubšie steny – cena materiálu .... snaha je preto dosiahnuť efekt prenosu tepla už pri štandardnom tlaku okolia.

Vlastnosti a limity

• Pri nízkom teplotnom spáde vedie trubica teplo zle, až vôbec. Čiže aj keď nedostatočne odvádzame teplo z „chladného“ konca trubice.
• Po dosiahnutí pracovnej teploty udržiava trubica malý rozdiel teplôt medzi koncami trubice – rádovo okolo 2° Celzia.
• Pri vysokých teplotách, keď sa trubica dostane takmer do stavu, kedy je všetka kvapalina vo forme pary tak stúpa rozdiel teplôt medzi koncami trubice.
• Pri veľmi vysokých teplotách, ak je celé médium vo forme pary, nedochádza ku kondenzácii, efekt prenosu tepla sa zastaví.
• Pri veľmi nízkych teplotách, keď je celé médium vo forme kvapaliny, nedochádza ku odparovaniu a efekt prenosu tepla sa zastaví.
• Prenášaný výkon je daný rýchlosťou obehu kvapaliny – čiže časom, za aký sa kvapalina z „chladného“ konca dokáže dostať k „teplému“ koncu trubice. (samospád, vzlínanie).

Konštrukcia

Rúrkové

Základ tvorí uzatvorená rúrka (meď, mosadz, sklo, oceľ) dostatočnej pevnosti, aby prípadným stlačením (ohnutím) rúrky nedošlo k zmene vnútorných rozmerov, alebo k zmene vnútorného tlaku. Vo vnútri sa nachádza definované množstvo pracovného média, či už vo forme kvapaliny, alebo pary.

• Pri použití tepelnej trubice bez absorbéra kondenzujú pary na stenách rúrky a samospádom stekajú ku „teplému“ koncu. Steny rúrky musia byť hladké, aky sa na nich kvapalina nezdržiavala, a „teplý“ koniec musí byť umiestnený nižšie, ako „studený“ koniec tak, aby kvapalina gravitáciou stiekla nadol ku „teplému“ koncu trubice. Takto je možné zabezpečiť prenos tepla aj na niekoľko metrov.
• Pri použití tepelnej trubice s absorbérom sa vo vnútri rúrky (alebo na jej stenách) nachádza materiál, po ktorom kvapalina vzlína (ryhovanie, hrubá štruktúra povrchu, sieťky, porézne materiály, knôty ...). Výhodou je, že nezáleží na polohe trubice. Tento spôsob prenosu tepla sa používa pri prenose tepla na malé vzdialenosti – rádovo centimetre.

Ploché

Tepelná trubica existuje aj v plochej forme – plochá tenká vrstva tvorená širšími a užšími kanálikmi. Cez kanáliky väčšieho prierezu prúdi para smerom ku „chladnému“ koncu plochy, tenké kanáliky sú navrhnuté tak, aby sa uplatnil kapilárny efekt – pracovné médium vzlína cez užšie kanáliky ku „teplému“ koncu, kde sa znova odparí....

Použitie

Chladenie v priemysle

Používa sa tam, kde z nejakého dôvodu nie je možné použiť chladič priamo na zdroji tepla (rozmery, prachotesnosť a vodotesnosť, nemožnosť umiestenia chladiča pre vysokú teplotu v okolí ...) . Tepelná trubica odvedie teplo ďalej do priestoru, kde už je možné chladič umiestniť. Zariadenie je možné pracho – vzducho – vodotesne utesniť a trubicou odviesť teplo z takto uzatvoreného priestoru.

Chladenie počítačov

Procesory (CPU, GPU, čipset ...) sa vyrábajú čoraz výkonnejšie, a vyžadujú čoraz väčšie chladiče. Tieto niekedy nie je možné z rozmerových a iných dôvodov umiestniť priamo na procesore, preto sa tepelnou trubicou odvedú do miesta, kde je možné umiestniť veľkorozmerový chladič. Pri počítačoch vadí aj hlučnosť, preto sa často používajú pasívne chladiče, ktoré rozmerovo a váhovo nemôžu byť umiestnené priamo na procesore. V notebookoch sa procesor nemusí umiestniť pri okraji notebooku, ale len samotné teplo sa odvedie z vnútra priestoru do chladiča na jeho okraji.

Slnečné kolektory

Používajú sa rúrky väčších prierezov. V rúre sa nachádza kvapalina, väčšinou alkohol, ktorá sa odparuje pri nízkej teplote. Táto para stúpa v rúre až na horný koniec, na ktorom je umiestnený malý výmenník tepla. Tu para kondenzuje a odovzdáva svoje teplo nepriamo teplonosnému médiu. Odtekajúca kvapalina stečie späť na „teplý koniec“, opäť zohrieva, vyparuje a kolobeh začína od začiatku. Aby tento kolobeh fungoval, kolektor musí mať sklon minimálne 30°. Prednosťou tohto je, že kolektor sa nikdy neprehreje - pretože po úplnom vyparení sa kvapaliny (teda keď sa neuskutočňuje odber tepla) sa kolobeh zastaví.