Тепловая трубка

Сравните количество теплоты, нужное для нагрева воды на \(\Delta T\), с теплотой её испарения. Что должно вернуть жидкость к горячему концу, если трубка лежит горизонтально?

Температуру кипения жидкости следует подобрать так, чтобы она имела промежуточное значение между температурой устройства и температурой окружающей среды. Тогда между деталью и кипящей жидкостью идёт теплообмен. Благодаря поступлению тепла жидкость выкипает, пар поднимается вверх, контактирует с окружающей средой, отдаёт ей энергию и конденсируется в верхней части трубки. Затем под действием силы тяжести сконденсировавшаяся жидкость с температурой окружающей среды опускается вниз, снова нагревается за счёт теплообмена с горячим устройством, выкипает и т.д.

Эффективность охлаждения с помощью тепловых трубок связана с тем, что при небольших перепадах температур \(\Delta T\) единица массы теплоносителя способна принять гораздо меньшее количество теплоты для нагревания (на эту величину), чем для испарения. Например, для воды \(c\,\Delta T < \lambda\) при \(\Delta T < 500^\circ\). Поэтому при малых \(\Delta T\) (а при охлаждении материнской платы компьютера эта величина порядка \(30^\circ\)) нужно обеспечить большой поток теплоносителя. Оценить этот поток можно так. Если трубка в единицу времени переносит \(\Delta m\,\lambda\) тепла (где \(\Delta m\) — масса жидкости, выкипающей в единицу времени), то такое же количество тепла можно передать с помощью обычного теплопереноса для следующей массы теплоносителя \(\Delta M\): \[c\,\Delta M\,\Delta T = \Delta m\,\lambda ,\] где \(\Delta T\) — разность температур между устройством и теплоносителем, которая по порядку величины близка к разности температур между устройством и окружающей средой. Отсюда получаем \[\frac{\Delta M}{\Delta m} = \frac{\lambda}{c\,\Delta T} \sim 20 .\] То есть для осуществления такой же теплопередачи, как у тепловой трубки, необходимо пропускать около охлаждаемого устройства в 20 раз больше теплоносителя, чем его выкипает в трубке.

Для работы трубки в горизонтальной ориентации (и даже с наклоном вниз) необходимо предложить механизм возврата жидкости назад (испарившийся горячий пар будет «уходить» в любом направлении благодаря давлению). Такой механизм могут обеспечить капиллярные силы. Внутренние поверхности трубок, работающих в горизонтальной ориентации, покрывают гигроскопическим материалом (органической тканью или пористой керамикой). Жидкость, сконденсировавшись на холодном конце трубки, перемещается в сторону горячего конца благодаря капиллярным силам.

В качестве теплоносителя в существующих тепловых трубках используют воду с примесью аммиака и спирта (меняя их концентрации, можно менять температуру кипения жидкости в трубке), а также такие «экзотические материалы», как ртуть и индий, при передаче тепла при высоких температурах.