Najwcześniejsze wzmianki na temat wykorzystania rurek ciepła w technice przypadają na lata czterdzieste ubiegłego wieku. Jako pierwszy koncepcję działania przedstawił R. S. Gaugler z General Motors (Ohio, USA). Z kolei 21 grudnia 1942 roku pojawił się pierwszy patent dotyczący zastosowania rurki ciepła w systemach chłodniczych, opublikowany 6 czerwca 1944 roku. W przemyśle na większą skale zaczęto stosować rurki ciepła dopiero w latach sześćdziesiątych po tym, jak George Grover i jego współpracownicy z Los Alamos Scientific Laboratories opublikowali w roku 1964 opracowanie dotyczące tych elementów. George Grover pracował nad wykorzystaniem energii jądrowej do zasilania statków kosmicznych oraz nad efektywnymi systemami chłodzenia w technologii kosmicznej, gdzie istniała konieczność równomiernego i szybkiego transportu ciepła. Od tego czasu rurki ciepła są szeroko stosowane w przemyśle, zaczynając od technologii kosmicznej poprzez elektronikę, przemysł spożywczy i chemiczny oraz szeroko w klimatyzacji, chłodnictwie, w inżynierii budowlanej i wszędzie tam gdzie jest potrzebny efektywny i szybki transport ciepła za pomocą trwałych i niezawodnych urządzeń jakimi niewątpliwie są rurki ciepła.

Rurka ciepła (Heat Pipe) jest urządzeniem, które do przekazywania ciepła wykorzystuje dwufazowy, zamknięty cykl z odparowaniem płynu roboczego w parowniku, a następnie jego skropleniem w skraplaczu. Jedną z głównych zalet urządzenia jest wysoka efektywność, umożliwiająca przekazywanie znacznych ilości ciepła, przy niewielkiej różnicy temperatury. Dzięki występowaniu parowania połączonego z konwekcją, zdolność w odbiorze ciepła i efektywność jego transportu w rurkach ciepła jest znacznie wydajniejsza od przewodzenia ciepła w nawet najlepszych przewodnikach. Rurki ciepła cechuje również szeroki zakres pracy od 2 K dla kriogenicznych rurek ciepła wykorzystujących jako płyn roboczy np. Hel, aż do temperatury rzędu 2000 K dla wysokotemperaturowych rurek ciepła wykorzystujących jako płyn roboczy ciekły metal np. Lit, Potas lub Srebro.

Budowa i zasada działania

Rys. 1. Grawitacyjna rurka ciepła (termosyfon) [1]

W zależności od budowy, rurki ciepła możemy podzielić na:

Rurka ciepła składa się ze szczelnie zamkniętego naczynia, pokrytego w środku porowatą strukturą. Naczynie jest opróżnione i wypełnione odpowiednią ilością płynu roboczego, aby w pełni nawilżyć knot. Kiedy rurka ciepła działa, odbywa się zamknięty, dwufazowy cykl ze skraplaniem i odparowaniem płynu roboczego, pozostającego w warunkach nasycenia, gdy temperatura zawiera się między punktem potrójnym, a stanem krytycznym.

Jak pokazano na rys. 2, rurki ciepła składają się z trzech odrębnych obszarów: parownika gdzie następuje dostarczanie ciepła, skraplacza czyli miejsca odbierania ciepła i adiabatycznego obszaru między nimi. Ciepło dostarczone do obszaru parownika powoduje, że roboczy płyn w parowniku odparowuje. Wysoka temperatura i odpowiednio wysokie ciśnienie powoduje wytworzenie strumienia pary w kierunku chłodniejszego końca naczynia, gdzie następnie para skrapla się, oddając swoje utajone ciepło. Następnie kapilarne siły w porowatej strukturze transportują ciecz z powrotem do parownika.

Rys. 2. Rurka ciepła ze strukturą kapilarną [2]

Rurka ciepła z knotem i termosyfony funkcjonują zarówno jako zamknięty, dwufazowy cykl, jak również wykorzystują utajone ciepło parowania, by transportować ciepło przy bardzo małych gradientach temperatury. Działanie termosyfonów polega całkowicie na grawitacyjnych siłach w celu zawrócenia ciekłej fazy roboczego płynu ze skraplacza do parownika, natomiast rurki ciepła z knotem wykorzystują pewien rodzaj porowatej, włoskowatej kapilarnej struktury, by umożliwić przepływ cieczy od skraplacza do parownika. W wyniku kapilarnego pompowania występującego w knocie, rurki ciepła ze strukturą porowatą mogą zostać użyte w poziomym ustawieniu (rys. 3). Powoduje to mikrograwitacje otoczenia, gdzie kapilarna struktura musi pompować płyn przeciw grawitacji od skraplacza do parownika. Cechą odróżniającą termosyfony od rurek ciepła z knotem jest występowanie w tych drugich charakterystycznej zależności miejscowego, grawitacyjnego pola, umożliwiającego przepływ strumienia cieczy od skraplacza do parownika.

Rys. 3. Sposób ustawienia rurek ciepła

Pomimo, że funkcjonowanie rurki ciepła i jej działanie są silnie uzależnione od kształtu urządzenia, roboczego płynu i struktury knota, to podstawowe zjawisko, które rządzi działaniem tego urządzenia wynika z różnicy w kapilarnym ciśnieniu na powierzchni międzyfazowej ciecz-para w obszarze parownika i skraplacza. Parowanie występujące w sekcji parownika rurki ciepła wywołuje powstanie menisku cieczy na knocie, natomiast kondensacja pojawiająca się w sekcji skraplacza wywołuje zalewanie knota. Połączony proces parowania i proces kondensacji doprowadza do zmiany promienia krzywizny menisku wzdłuż osi długości rurki ciepła jak pokazano na rys. 4 a. Punkt, w którym promień krzywizny menisku jest w maksimum, nazywany jest „suchym” punktem i zwykle występuje w parowniku w punkcie najdalszym od obszaru skraplacza. „Mokry” punkt występuje tam, gdzie ciśnienie pary i ciśnienie cieczy są w przybliżeniu sobie równe lub, gdzie promień krzywizny menisku osiąga minimum. Punkt ten może być usytuowany gdzieś w skraplaczu lub adiabatycznej sekcji, ale zazwyczaj znajduje się blisko końca skraplacza jak najdalej od parownika. Rysunek 4 b ilustruje relację między ciśnieniem statycznym płynu i ciśnieniem statycznym pary podczas pracy rurki ciepła. Jak pokazano, gradient kapilarnego ciśnienia na powierzchni międzyfazowej ciecz-para równa się różnicy ciśnienia między fazami cieczy i pary w danej osiowej pozycji. Dla rurek ciepła, by zadziałały właściwie, ostateczna różnica kapilarnego ciśnienia między mokrym i suchym punktem, pokazanymi na rysunku 4 b, musi być większa niż zsumowanie wszystkich strat ciśnienia występujących na drodze cieczy i strumienia pary. Związek ten nazwany jest kapilarnym ograniczeniem.

Rys. 4. Tworzenie się menisku na knocie [3]

Do innych ograniczeń rurek ciepła należą:

Płyn roboczy (...)

Struktura kapilarna (...)

Korpus (...)