چگونگی ساخت یک لوله حرارتی

چگونگی ساخت یک لوله حرارتی:
ساختار متخلخل ماده فتیله ای در یک لوله حرارتی، شرایط را برای بازگشت مایع به سمت اواپراتور فراهم می کند. بنابراین، این ساختار متخلخل، نقشی اساسی در عملکرد لوله حرارتی ایفا می کند و طراحی و ساخت این قسمت، جنبه ای حساس از فرآیند طراحی به حساب می آید. ماده فتیله ای معمولاً از سرامیک متخلخل یا شبکه سیم های درگیر ساخته می شود.

همچنین می توان همزمان با لوله و از طریق ایجاد شیارهایی در سطح داخلی لوله آن را ساخت. البته این روش ساخت، سختی های زیادی هم در پی دارد.

عملکرد یک ماده فتیله ای به ساختار آن بستگی دارد. ویژگی های این ساختار متخلخل را می توان با تعویض اندازه و تعداد روزنه ها در واحد حجم و همچنین با پیوستگی های روزنه های عبور، تغییر داد. حرکت مایع در ساختار متخلخل، به تعادل دینامیکی دو اثر متقابل، وابسته است.

یکی فشار مویینگی (Capillary Pressure) که اثر مکش را برای به حرکت در آوردن مایع فراهم می کند و دیگری، مقاومت درونی در برابر جاری شدن؛ که نتیجه اصطکاک بین سطوح مِش و مایع است.

کوچک بودن اندازه روزنه، عمل مویینگی را تقویت می کند. زیرا فشار مویینگی با معکوس شعاع مویینگی مربوط به شبکه مش متناسب است. ولی از طرف دیگر، کم شدن اندازه روزنه تخلخل و در نتیجه، کوچک تر شدن شعاع مویینگی، موجب افزایش نیروی اصطکاکی می شود که بازدارنده حرکت است. در مجموع، اندازه روزنه های روی شبکه مش باید کوچک شود. زیرا افزایش نیروی مویینگی بیش از افزایش نیروی اصطکاکی است.

باید به این نکته توجه کرد که اندازه روزنه بهینه (Optimum Pore Size) برای مایعات مختلف و حتی برای لوله های حرارتی مختلف، متفاوت است. اگر در طراحی ساختار ماده فتیله ای دقت لازم به عمل نیاید، انتقال مایع به درستی صورت نمی گیرد و حتی ممکن است منجر به بروز خرابی در لوله حرارتی شود.

خاصیت مویینگی موجب می شود لوله حرارتی در هر جهتی نسبت به یک میدان مغناطیسی درست کار کند. ولی بهینه ترین حالت زمانی رخ می دهد که نیروهای مویینگی و گرانش در یک جهت باشند. بدین منظور باید انتهای اواپراتور در پایین قرار بگیرد. در سوی مقابل، بدترین حالت برای عملکرد لوله حرارتی زمانی است که این دو نیرو در خلاف جهت یکدیگر وارد شوند. برای چنین حالتی، انتهای اواپراتور باید در بالا قرار بگیرد.

همچنین به این نکته نیز توجه داشته باشید که وقتی لوله گرمایی به صورت افقی قرار می گیرد، گرانش هیچ تأثیری روی مویینگی نخواهد داشت. اما اگر این لوله را به جای وضعیت افقی، در وضعیت عمودی نصب کنیم و انتهای اواپراتور پایین باشد، گرانش به عملکرد خاصیت مویینگی کمک می کند.

در این حالت، ظرفیت دفع گرما نسبت به وضعیت افقی دو برابر می شود. اما اگر عکس این حالت رخ دهد و انتهای اواپراتور بالا باشد، عملکرد لوله حرارتی نسبت به وضعیت افقی، تا حد زیادی افت می کند. زیرا نیروی مویینگی در این وضعیت باید به نیروی گرانش هم غلبه کند.

بیشتر لوله های حرارتی به شکل استوانه ساخته می شوند. اما ساخت آنها در شکل های گوناگون دیگری هم انجام می شود.

به عنوان مثال می توان از انواع به شکلS، انواع حلزونی و انواعی که90∘ خم شده اند نام برد. حتی نوعی لوله حرارتی به شکل لایه مسطحی با ضخامت0.3cm هم موجود است. لوله های حرارتی مسطح برای خنک کاری PCBهایی که توان زیادی دارند، بسیار مناسب هستند. در این مورد، این لوله های حرارتی به طور مستقیم به سطح پشتی PCB چسبانده می شود و گرمای جذب شده را در لبه ها دفع می کند.

برای ارتقای عملکرد لوله های حرارتی، فین های خنک کاری به انتهای کندانسور متصل می شوند. هنگامی که از هوای محیط به عنوان چاه گرمایی اصلی استفاده شود، بدین طریق می توان تنگناهای موجود در مسیر انتقال حرارت از اجزا تا محیط را حذف کرد.

افت کیفیت عملکرد یک لوله حرارتی آبی به طول122cmرا در زاویه های مختلف نسبت به افق در نمودار شکل زیر مشاهده می کنید. این نمودار برای حالت هایی رسم شده که از سه نوع ماده فتیله ای مختلف استفاده شده است. همان طور که می بینید، در حالت افقی، هنگامی که روزنه های درشت تر به کار گرفته شده اند، عملکرد لوله حرارتی بهتر است. اما به محض اینکه زاویهθ زیاد می شود، عملکرد این نوع ماده به شدت افت می کند.

هنگامی که از روزنه های ریز در ماده فتیله ای استفاده می شود، عملکرد لوله حرارتی در حالت افقی، تعریف چندانی ندارد ولی با بلند شدن انتهای اواپراتور، عملکرد این لوله حرارتی، کمتر از بقیه ماده ها دستخوش تغییر می شود.

می توانیم این طور نتیجه بگیریم که وقتی قرار است لوله حرارتی در خلاف جهت نیروی گرانش زمین کار کند، بهتر است از ماده فتیله ای با روزنه های کوچک تر استفاده شود. ظرفیت لوله های حرارتی مختلف را در دفع گرما می توانید در جدول زیر ملاحظه کنید.

یکی از نگرانی های اصلی در مورد عملکرد یک لوله حرارتی، افت کیفیت آن به مرور زمان است. برخی از انواع این لوله ها، تنها پس از چند ماه خراب می شوند. اصلی ترین علت پایین آمدن کیفیت، آلودگی است. آلودگی در هنگام آب بندی دو انتهای لوله اتفاق می افتد و تأثیر زیادی روی فشار بخار دارد.

برای به حداقل رساندن این نوع آلودگی، از جوشکاری اشعه الکترونی در اتاق تمیز (Clean Room) استفاده می شود. اما ممکن است منشأ آلودگی در ماده فتیله ای به قبل از مرحله جوشکاری و نصب لوله برگردد. تمیز بودن این ماده، نقش مهمی در عملکرد مطمئن لوله حرارتی در طولانی مدت دارد. به همین دلیل، پیش از نصب و استفاده از این لوله ها، تست های متنوعی برای تضمین عملکرد آنها صورت می گیرد.

یکی از مهم ترین ملاحظاتی که باید در مرحله طراحی لوله های گرمایی مد نظر قرار داد، سازگاری ماده فتیله ای با نوع سیال کاری است.

برخی واکنش ها میان این دو ماده، منجر به آزاد شدن گازهایی می شود که می توانند عملکرد لوله را با اختلال مواجه سازند. به عنوان مثال، واکنش بین فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) و آب در برخی نمونه های اولیه لوله حرارتی گاز هیدروژن تولید می کرد و باعث خرابی آنها شد.