Lämpöputki

Kaavio, jossa näytetään lämpöputken komponentit ja mekanismi, jossa on sydänlanka

Tämä 100 mm x 100 mm x 10 mm korkea ohut litteä lämpöputki (lämmönlevittäjä) -animaatio luotiin korkean resoluution CFD-analyysiä käyttäen, ja se kuvaa lämpötilaa kuvailevia virtausreittejä, jotka on ennustettu CFD-analyysipaketin avulla.

Tämä halkaisijaltaan 120 mm:n läpimittainen höyrykammion (lämmönlevittimen) jäähdytyselementtisuunnittelun lämpöanimaatio luotiin käyttämällä korkean resoluution CFD-analyysiä, ja se näyttää lämpötilakuvioidut jäähdytyselementin pinnan ja nesteen virtausradat, jotka on ennustettu CFD-analyysipaketin avulla.

Poikkileikkaus lämpöputkesta kannettavan tietokoneen suorittimen jäähdyttämiseen. Viivaimen asteikko on millimetreinä.

Leikkaa- tai alumiinista ammoniakkilämpöputkissa. Tyypillisesti tyhjiöpumppua käytetään poistamaan ilma tyhjästä lämpöputkesta. Lämpöputki täytetään osittain työstönesteellä ja suljetaan sitten. Työnesteen massa valitaan siten, että lämpöputkessa on sekä höyryä että nestettä käyttölämpötila-alueella.

Käyttölämpötilan alapuolella neste on liian kylmää eikä se voi höyrystyä kaasuksi. Käyttölämpötilan yläpuolella kaikki neste on muuttunut kaasuksi, ja ympäristön lämpötila on liian korkea, jotta kaasu voisi tiivistyä. Lämmön johtuminen lämpöputken seinämien läpi on edelleen mahdollista, mutta lämmönsiirtonopeus on huomattavasti pienentynyt. Lisäksi tietyllä lämmöntuonnilla on myös saavutettava hyötynesteen vähimmäislämpötila, ja lämmönsiirtokertoimen lisäkorotus (poikkeama) alkuperäisestä suunnittelusta pikemminkin estää lämpöputken toiminnan. Tämä ilmiö on siinä mielessä päinvastainen, että jos lämpöputkijärjestelmää tuetaan tuulettimella, lämpöputki saattaa hajota ja heikentää lämmönhallintajärjestelmän tehokkuutta. Käyttölämpötila ja lämpöputkien (kapillaarirakenteen rajoittama) enimmäislämmönsiirtokapasiteetti ovat siis läheisessä yhteydessä toisiinsa.

Työnesteet valitaan niiden lämpötilojen mukaan, joissa lämpöputken on toimittava. Esimerkkeinä voidaan mainita nestemäinen helium erittäin alhaisissa lämpötiloissa (2-4 K), elohopea (523-923 K), natrium (873-1473 K) ja jopa indium (2000-3000 K) erittäin korkeissa lämpötiloissa. Valtaosassa huoneenlämpösovelluksissa käytettävistä lämpöputkista käytetään nesteenä ammoniakkia (213-373 K), alkoholia (metanolia (283-403 K) tai etanolia (273-403 K) tai vettä (298-573 K). Kupari/vesi-lämpöputkissa on kuparikuori, niissä käytetään vettä käyttönesteenä ja ne toimivat tyypillisesti 20-150 °C:n lämpötila-alueella. Vesilämpöputket täytetään joskus täyttämällä ne osittain vedellä, lämmittämällä, kunnes vesi kiehuu ja syrjäyttää ilman, ja sulkemalla ne sitten kuumina.

Jotta lämpöputki voisi siirtää lämpöä, sen on sisällettävä kylläistä nestettä ja sen höyryä (kaasufaasia). Kylläinen neste höyrystyy ja kulkeutuu lauhduttimeen, jossa se jäähdytetään ja muutetaan takaisin kylläiseksi nesteeksi. Tavallisessa lämpöputkessa lauhdutettu neste palautetaan höyrystimeen käyttämällä tahtirakennetta, joka vaikuttaa kapillaarisesti työstönesteen nestefaasiin. Lämpöputkissa käytettyjä siipirakenteita ovat sintrattu metallijauhe, seula ja uritetut siivet, joissa on putken akselin suuntainen sarja uria. Kun lauhdutin sijaitsee höyrystimen yläpuolella painovoimakentässä, painovoima voi palauttaa nesteen. Tällöin lämpöputki on termosifoni. Pyörivät lämpöputket käyttävät sentrifugivoimia nesteen palauttamiseksi lauhduttimesta höyrystimeen.

Lämpöputkissa ei ole mekaanisia liikkuvia osia, eivätkä ne tyypillisesti vaadi huoltoa, vaikka ei-kondensoituvat kaasut, jotka diffundoituvat putken seinämien läpi työstönesteen hajoamisen seurauksena tai materiaalissa olevina epäpuhtauksina, voivat lopulta heikentää putken tehoa lämmönsiirrossa.

Lämpöputkien etuna moniin muihin lämmönsiirtomekanismeihin nähden on niiden suuri tehokkuus lämmönsiirrossa. Halkaisijaltaan yhden tuuman kokoinen ja kaksi jalkaa pitkä putki voi siirtää 3,7 kW (12 500 BTU tunnissa) 1 800 °F:n (980 °C) lämpötilassa vain 18 °F:n (10 °C) pudotuksella päästä päähän. Joissakin lämpöputkissa on osoitettu yli 23 kW/cm²:n lämpövirta, joka on noin neljä kertaa suurempi kuin auringon pinnan läpi kulkeva lämpövirta.

Lämpöputkien materiaalit ja työstönesteet Muokkaa

Lämpöputkissa on kuori, sydänlanka ja työstöneste. Lämpöputket on suunniteltu hyvin pitkäaikaiseen toimintaan ilman huoltoa, joten lämpöputken seinämän ja sydänlangan on oltava yhteensopivia työstönesteen kanssa. Jotkin yhteensopivilta näyttävät materiaali/työneste-parit eivät ole yhteensopivia. Esimerkiksi alumiinikuoressa olevaan veteen muodostuu muutaman tunnin tai päivän kuluessa suuria määriä tiivistymätöntä kaasua, mikä estää lämpöputken normaalin toiminnan.

Sen jälkeen, kun George Grover vuonna 1963 löysi lämpöputket, yhteensopivien kuori/neste-parien määrittämiseksi on tehty laajoja käyttöikäkokeita, joista osa on kestänyt vuosikymmeniä. Lämpöputkien käyttöikätestissä lämpöputkia käytetään pitkiä aikoja ja seurataan ongelmia, kuten ei-kondensoituvan kaasun muodostumista, materiaalin kulkeutumista ja korroosiota.

Yleisimmin käytettyjä kuori (ja sydänlanka)/nestepareja ovat:

• Kuparikuori, jossa on elektroniikan jäähdytykseen tarkoitettu vesi-neste. Tämä on ylivoimaisesti yleisin lämpöputkityyppi.
• Kupari- tai teräskuori, jossa on jäähdytysaine R134a-työnestettä energian talteenottoon LVI-järjestelmissä.
• Alumiinikuori, jossa on ammoniakkityönestettä avaruusalusten lämmönsäätöön.
• Superseoskuori, jossa on alkalimetallia (cesiumia, kaliumia, natriumia) sisältävä työntönestettä korkealämpötilalämpöisissä lämpöputkissa, joita käytetään tavallisimmin primäärilämpötilojen mittauslaitteiden kalibroinnissa.

Muita pareja ovat ruostumattomasta teräksestä valmistetut kuoret, joissa on typpi-, happi-, neoni-, vety- tai heliumtyönesteet alle 100 K:n lämpötiloissa, kupari/metanoli-lämpöputket elektroniikan jäähdytykseen, kun lämpöputken on toimittava vesirajan alapuolella, alumiini/etaani-lämpöputket avaruusalusten lämmönsäätöön ympäristöissä, joissa ammoniakki voi jäätyä, ja tulenkestävästä metallista valmistettu kuori/litiumtyöneste korkeiden lämpötilojen sovelluksiin (yli 1050 °C:n lämpötilat).

Lämpöputkien tyypit Muokkaa

Vakiomuotoisten, vakiokonduktanssin omaavien lämpöputkien (CCHP) lisäksi on olemassa useita muita lämpöputkityyppejä, mm:

• Höyrykammiot (planaariset lämpöputket), joita käytetään lämpövirran muuntamiseen ja pintojen isotermisointiin
• Vaihtelevan johtokyvyn lämpöputket (VCHP), joissa käytetään kondensoitumatonta kaasua (NCG) muuttamaan lämpöputken tehollista lämmönjohtavuutta tehon tai jäähdytysnielun olosuhteiden muuttuessa
• Paineohjatut lämpöputket (PCHP), jotka ovat VCHP:itä, joissa säiliön tilavuutta tai NCG:n massaa voidaan muuttaa tarkemman lämpötilansäädön aikaansaamiseksi
• Diodilämpöputket, joilla on korkea lämmönjohtavuus menosuuntaan ja alhainen lämmönjohtavuus vastakkaiseen suuntaan
• Thermosyfonit, jotka ovat lämpöputkia, joissa neste palautetaan höyrystimeen painovoiman/kiihdytysvoimien avulla,
• Pyörivät lämpöputket, joissa neste palautetaan höyrystimeen keskipakovoimien avulla

Höyrystinkammio- tai litteät lämpöputketMuutos

Ohuilla tasomaisilla lämpöputkilla (lämmönlevittimillä) on samat pääkomponentit kuin putkimaisten lämpöputkien: Hermeettisesti suljettu ontto astia, työstöneste ja suljettu kapillaarinen kierrätysjärjestelmä. Lisäksi höyrykammiossa käytetään yleensä sisäistä tukirakennetta tai sarjaa pylväitä, jotka mahdollistavat joskus jopa 90 PSI:n puristuspaineet. Tämä auttaa estämään tasaisen ylä- ja alapuolen romahtamisen, kun painetta käytetään.

Höyrykammioilla on kaksi pääsovellusta. Ensinnäkin niitä käytetään, kun suuria tehoja ja lämpövirtoja käytetään suhteellisen pieneen höyrystimeen. Haihduttimeen syötetty lämpö höyrystää nestettä, joka virtaa kaksiulotteisesti lauhduttimen pinnoille. Kun höyry tiivistyy lauhduttimen pinnoille, piikissä olevat kapillaarivoimat palauttavat lauhteen höyrystimeen. Huomaa, että useimmat höyrykammiot eivät reagoi painovoimaan, ja ne toimivat myös silloin, kun höyrystin on käännetty lauhduttimen yläpuolelle. Tässä sovelluksessa höyrykammio toimii lämpövirran muuntajana, joka jäähdyttää elektroniikkasirun tai laserdiodin suuren lämpövirran ja muuttaa sen pienemmäksi lämpövirraksi, joka voidaan poistaa luonnollisen tai pakotetun konvektion avulla. Erityisten höyrystinsiipien avulla höyrykammiot voivat poistaa 2000 W 4 cm2:n alueelta tai 700 W 1 cm2:n alueelta.

Toinen tärkeä höyrykammioiden käyttökohde on pelikannettavien tietokoneiden jäähdytys. Koska höyrykammiot ovat tasaisempi ja kaksiulotteisempi lämmönpoistomenetelmä, tyylikkäät pelikannettavat hyötyvät niistä valtavasti verrattuna perinteisiin lämpöputkiin. Esimerkiksi Lenovon Legion 7i -mallissa höyrykammiojäähdytys oli sen ainutlaatuisin myyntivaltti (vaikka sitä mainostettiin virheellisesti niin, että kaikissa malleissa oli höyrykammiot, vaikka todellisuudessa vain muutamissa malleissa oli).

Toisekseen, verrattuna yksiulotteiseen putkimaiseen lämpöputkeen kaksiulotteisen lämpöputken leveys mahdollistaa riittävän poikkileikkauksen lämpövirtausta varten jopa hyvin ohuessa laitteessa. Nämä ohuet tasomaiset lämpöputket ovat löytämässä tiensä ”korkeusherkkiin” sovelluksiin, kuten kannettaviin tietokoneisiin ja pinta-asennettavien piirilevyjen ytimiin. On mahdollista valmistaa niinkin ohuita tasolämpöputkia kuin 1,0 mm (hieman paksumpi kuin 0,76 mm:n luottokortti).

Muuttuvan johtavuuden lämpöputket (VCHP:t)Edit

Vakiomalliset lämpöputket ovat kiinteän johtavuuden laitteita, joissa lämpöputken toimintalämpötila määräytyy lähteen ja nielun lämpötilojen, lämpöresistanssien mukaan lähteestä lämpöputkelle ja lämpöresistanssien mukaan lämpöputkesta nieluun. Näissä lämpöputkissa lämpötila laskee lineaarisesti, kun tehon tai lauhduttimen lämpötilaa alennetaan. Joissakin sovelluksissa, kuten satelliittien tai tutkimuspallojen lämmönsäätelyssä, elektroniikka ylijäähtyy pienillä tehoilla tai alhaisilla nielulämpötiloilla. Vaihtuvan johtavuuden lämpöputkia (VCHP) käytetään jäähdytettävän elektroniikan lämpötilan passiiviseen ylläpitämiseen tehon ja nielun olosuhteiden muuttuessa.

Vaihtuvan johtavuuden lämpöputkissa on kaksi lisäystä tavalliseen lämpöputkeen verrattuna: 1. säiliö ja 2. lämpöputkeen lisätty ei-kondensoituva kaasu (non-condensable gas, NCG) hyötynesteen lisäksi; ks. kuva alla olevassa avaruusaluksia koskevassa osiossa. Tämä ei-kondensoituva kaasu on tyypillisesti argonia tavanomaisissa lämpöputkissa, joiden johtavuus on muuttuva, ja heliumia termosyfoneissa. Kun lämpöputki ei ole toiminnassa, ei-kondensoituva kaasu ja työstönesteen höyry sekoittuvat koko lämpöputken höyrytilassa. Kun vaihtelevan johtokyvyn lämpöputki on toiminnassa, ei-kondensoituva kaasu pyyhkäistään kohti lämpöputken lauhdutinpäätä työvesihöyryn virtauksen vaikutuksesta. Suurin osa kondensoitumattomasta kaasusta sijaitsee säiliössä, kun taas loppuosa tukkii osan lämpöputken lauhduttimesta. Muuttuvan johtavuuden lämpöputki toimii vaihtelemalla lauhduttimen aktiivista pituutta. Kun tehon tai jäähdytyselementin lämpötilaa nostetaan, lämpöputken höyryn lämpötila ja paine nousevat. Lisääntynyt höyrynpaine pakottaa enemmän tiivistymätöntä kaasua säiliöön, mikä kasvattaa aktiivista lauhduttimen pituutta ja lämpöputken johtavuutta. Sitä vastoin kun tehon tai jäähdytyselementin lämpötilaa lasketaan, lämpöputken höyryn lämpötila ja paine laskevat ja tiivistymätön kaasu laajenee, jolloin aktiivisen lauhduttimen pituus ja lämpöputken johtavuus pienenevät. Jos säiliöön lisätään pieni lämmitin, jonka tehoa ohjataan höyrystimen lämpötilan mukaan, voidaan lämmönsäätöä säätää noin ±1-2 °C:n tarkkuudella. Eräässä esimerkissä höyrystimen lämpötila pidettiin ±1,65 °C:n säätöalueella, kun teho vaihteli 72:sta 150 W:iin ja jäähdytyselementin lämpötila vaihteli +15 °C:sta -65 °C:een.

Paineohjattuja lämpöputkia (PCHP) voidaan käyttää, kun tarvitaan tiukempaa lämpötilan säätöä. Paineohjatussa lämpöputkessa höyrystimen lämpötilaa käytetään joko säiliön tilavuuden tai lämpöputkessa olevan tiivistymättömän kaasun määrän muuttamiseen. Paineohjatuissa lämpöputkissa on osoitettu millikelvinin lämpötilan säätöä.

Diodilämpöputket Muokkaa

Tavanomaiset lämpöputket siirtävät lämpöä kumpaankin suuntaan, lämpöputken kuumemmasta päästä kylmempään päähän. Useat erilaiset lämpöputket toimivat lämpödiodina, siirtävät lämpöä yhteen suuntaan ja toimivat samalla eristeenä toiseen suuntaan:

• Termosyfonit, jotka siirtävät lämpöä vain termosyfonin alareunasta yläreunaan, jonne kondenssivesi palaa painovoiman avulla. Kun termosyfonia lämmitetään yläreunasta, haihdutettavaa nestettä ei ole käytettävissä.
• Kääntyvät lämpöputket, joissa lämpöputki on muotoiltu siten, että neste pääsee kulkemaan nimellishaihduttimesta nimelliskondensaattoriin vain keskipakovoimien avulla. Jälleen kerran nestettä ei ole käytettävissä, kun nimelliskondensaattoria lämmitetään.
• Höyrysulku-diodilämpöputket.
• Nestesulku-diodilämpöputket.

Höyrysulku-diodilämpöputki valmistetaan muuttuvan johtavuuden lämpöputken tapaan siten, että lauhduttimen päässä on kaasusäiliö. Valmistuksen aikana lämpöputki täytetään työstönesteellä ja kontrolloidulla määrällä ei-kondensoituvaa kaasua (NCG). Normaalikäytön aikana työaineen höyryn virtaus höyrystimestä lauhduttimeen pyyhkäisee kondensoitumattoman kaasun säiliöön, jossa se ei häiritse lämpöputken normaalia toimintaa. Kun nimelliskondensaattoria lämmitetään, höyryvirtaus tapahtuu nimelliskondensaattorista nimellishaihduttimeen. Kondensoitumaton kaasu vedetään virtaavan höyryn mukana, jolloin nimellinen höyrystin tukkeutuu kokonaan ja lämpöputken lämpöresistanssi kasvaa huomattavasti. Yleensä nimelliseen adiabaattiseen osaan tapahtuu jonkin verran lämmönsiirtoa. Tämän jälkeen lämpö johdetaan lämpöputken seinämien kautta höyrystimeen. Eräässä esimerkissä höyrynsulkudiodi kuljetti 95 W edestakaisessa suunnassa ja vain 4,3 W käänteisessä suunnassa.

Nestesulku-diodissa on lämpöputken höyrystimen päässä paha säiliö, jossa on erillinen sydänlanka, joka ei ole yhteydessä lämpöputken loppuosassa olevaan sydänlankaan. Normaalikäytössä höyrystin ja säiliö lämmitetään. Höyry virtaa lauhduttimeen, ja neste palaa höyrystimeen kapillaarivoimien avulla. Säiliö kuivuu lopulta, koska nesteen palauttamiseen ei ole menetelmää. Kun nimellinen lauhdutin kuumennetaan, neste tiivistyy höyrystimeen ja säiliöön. Vaikka neste voi palata nimellishaihduttimesta nimellishaihduttimeen, neste jää säiliöön, koska säiliön sydänlankaa ei ole liitetty. Lopulta kaikki neste on jäänyt säiliöön, ja lämpöputki lakkaa toimimasta.

Lämpöputket Muokkaa

Useimmissa lämpöputkissa käytetään sydänlankaa nesteen palauttamiseksi lauhduttimesta höyrystimeen, jolloin lämpöputki voi toimia missä tahansa asennossa. Neste imeytyy takaisin höyrystimeen kapillaaritoiminnan avulla, samaan tapaan kuin sieni imee vettä, kun sen reuna asetetaan kosketuksiin vesialtaan kanssa. Suurin epäsuotuisa korkeusasema (höyrystin lauhduttimen yläpuolella) on kuitenkin suhteellisen pieni, noin 25 cm:n luokkaa tyypillisessä vesilämpöputkessa.

Jos höyrystin kuitenkin sijaitsee lauhduttimen alapuolella, neste voi valua takaisin painovoiman vaikutuksesta sen sijaan, että se tarvitsisi sydänlankaa, ja etäisyys näiden kahden välillä voi olla paljon pidempi. Tällaista painovoiman avustamaa lämpöputkea kutsutaan termosyfoniksi.

Lämpöputkessa nestemäinen työstöneste höyrystyy lämpöputken alaosassa olevaan höyrystimeen syötettävän lämmön avulla. Höyry kulkeutuu lämpöputken yläosassa olevaan lauhduttimeen, jossa se tiivistyy. Tämän jälkeen neste valuu painovoiman vaikutuksesta takaisin lämpöputken pohjaan, ja sykli toistuu. Termosyfonit ovat diodilämpöputkia; kun lämpöä syötetään lauhduttimen päähän, kondenssivettä ei ole käytettävissä eikä siten myöskään tapaa muodostaa höyryä ja siirtää lämpöä höyrystimeen.

Tyypillinen maanpäällinen vesilämpöputki on alle 30 senttimetriä pitkä, mutta termosyfonit ovat usein useita metrejä pitkiä. Kuten jäljempänä käsitellään, Alaskan putkilinjan jäähdyttämiseen käytetyt termosyfonit olivat noin 11-12 metriä pitkiä. Geotermisen energian talteenottoa varten on ehdotettu vielä pidempiä termosyfoneja. Esimerkiksi Storch et al. valmistivat 53 mm:n sisäkorkeudella olevan, 92 m:n pituisen propaanitermosyfonin, joka kuljetti noin 6 kW lämpöä.

SilmukkalämpöputkiEdit

Silmukkalämpöputki (loop heat pipe, LHP) on lämpöputkeen liittyvä passiivinen kaksivaiheinen lämmönsiirtolaite. Se voi kuljettaa suurempaa tehoa pidemmillä etäisyyksillä, koska nesteen ja höyryn virtaus on samanaikaista, toisin kuin lämpöputken vastavirtavirtaus. Tämän ansiosta silmukkalämpöputkessa käytettävää sydänlankaa tarvitaan vain höyrystimessä ja kompensointikammiossa. Mikrosilmukkalämpöputkia on kehitetty ja niitä on käytetty menestyksekkäästi monenlaisissa sovelluksissa sekä maassa että avaruudessa.

Värähtelevä tai sykkivä lämpöputki Muokkaa

Värähtelevä lämpöputki, joka tunnetaan myös nimellä sykkivä lämpöputki, on vain osittain täytetty nestemäisellä käyttönesteellä. Putki on järjestetty serpentiinikuvioon, jossa vapaasti liikkuvat neste- ja höyrysegmentit vuorottelevat. Työnesteessä tapahtuu värähtelyä; putki pysyy liikkumattomana.