چگونه تغییر فاز و خاصیت مویینگی، گرما را در لوله‌های حرارتی جابه‌جا می‌کنند

در سال ۱۹۶۳، در آزمایشگاه ملی لس آلاموس (Los Alamos) در نیومکزیکو، فیزیکدانی به نام جورج گروور (George Grover) طرحی را برای یک سیستم حرارتی بسته که نیازی به پمپ خارجی نداشت، در دفترچه خود رسم کرد. او به دنبال راهی برای دفع گرمای شدید راکتورهای هسته‌ای فضایی بود. گروور با مهر و موم کردن مقدار کمی سیال عامل در داخل یک لوله فلزی که با یک فتیله توری سیمی پوشانده شده بود، دستگاهی ساخت که می‌توانست گرما را با سرعتی غیرممکن برای فلزات جامد منتقل کند. او در دفترچه آزمایشگاهی خود در سال ۱۹۶۳ نوشت: «چنین سیستم بسته‌ای که نیازی به پمپ‌های خارجی ندارد، ممکن است برای انتقال گرما از هسته راکتور به یک سیستم تابشی در راکتورهای فضایی بسیار جالب توجه باشد.» او این دستگاه را «لوله حرارتی» (heat pipe) نامید و نمونه‌های اولیه او که با استفاده از لیتیوم و سدیم در دماهای شدید کار می‌کردند، پایه و اساس سیستم‌های مدیریت حرارتی را بنا نهادند که امروزه مانع از ذوب شدن همه‌چیز، از ماهواره‌های در حال چرخش گرفته تا کامپیوترهای رومیزی گیمینگ می‌شوند.[5]

امروزه، اگر نیاز به خنک کردن یک پردازنده ۲۰۰ واتی یا یک آرایه LED با شدت نور بالا دارید، لوله حرارتی مسی متخلخل (sintered) استاندارد این صنعت است. هزینه تولید آن نسبتاً کم است، اما رسانایی حرارتی موثری بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از یک بلوک مسی جامد ارائه می‌دهد. در حالی که حداکثر رسانایی حرارتی یک میله مسی جامد تقریباً ۳۹۰ وات بر متر-کلوین (W/m·K) است، یک لوله حرارتی پر از آب می‌تواند به رسانایی موثر ۴۰۰۰ تا بیش از ۵۰,۰۰۰ W/m·K دست یابد. نکته مهم این است که این کارایی فوق‌العاده تنها در شرایط خاصی فعال می‌شود: منبع گرما باید به اندازه‌ای داغ باشد که سیال داخلی را تبخیر کند و لوله نیز باید به اندازه کافی بلند باشد (معمولاً بیش از ۵۰ میلی‌متر) تا بخار بتواند به طور موثری حرکت کرده و تقطیر شود.[4]

یک لوله حرارتی با بهره‌گیری از تغییر فاز، انتقال انرژی کند و اتم به اتم فلز جامد را دور می‌زند. این دستگاه از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک محفظه خلاء مهر و موم شده، یک ساختار فتیله‌ای متخلخل داخلی و حجم کمی از سیال عامل. در لوازم الکترونیکی مصرفی، محفظه معمولاً از جنس مس و سیال آن آب مقطر است. از آنجایی که داخل لوله خلاء است، آب در دمای بسیار پایین‌تری نسبت به فشار اتمسفر معمولی به جوش می‌آید (اغلب از حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد شروع می‌شود). هنگامی که انتهای تبخیرکننده لوله با یک قطعه داغ تماس پیدا می‌کند، آب انرژی حرارتی را جذب کرده و فوراً به گاز تبدیل می‌شود.[1][4]

این تغییر فاز از مایع به گاز، مقدار عظیمی از انرژی را جذب می‌کند که به عنوان گرمای نهان تبخیر شناخته می‌شود. هنگامی که آب به بخار تبدیل می‌شود، یک منطقه پرفشار در انتهای داغ لوله ایجاد می‌کند. این اختلاف فشار، بخار را مجبور می‌کند تا با سرعتی تقریباً بدون اصطکاک، از مرکز توخالی لوله به سمت انتهای خنک‌تر که به عنوان کندانسور (چگالنده) شناخته می‌شود، حرکت کند. این انتقال سریع بخار همان چیزی است که به لوله حرارتی ضریب رسانایی حرارتی بسیار بالاتری نسبت به فلز جامد می‌دهد و گرما را تقریباً به صورت لحظه‌ای در طول دستگاه جابه‌جا می‌کند.[1][2]

وقتی بخار داغ به بخش خنک‌تر کندانسور می‌رسد (که معمولاً به یک هیت‌سینک آلومینیومی پره‌دار و یک فن خنک‌کننده متصل است)، با دیواره‌های فلزی سردتر برخورد می‌کند. بخار به سرعت خنک می‌شود، گرمای نهان ذخیره‌شده خود را در هیت‌سینک آزاد می‌کند و دوباره به آب مایع تقطیر می‌شود. این دفع حرارت بسیار کارآمد است و بار حرارتی را به دور از پردازنده حساس یا تقویت‌کننده توانی که در ابتدا آن را تولید کرده بود، منتقل می‌کند. تقطیر مداوم، فشار پایین را در این انتهای لوله حفظ کرده و تضمین می‌کند که بخار همچنان از انتهای داغ جریان یابد.[2]

مرحله نهایی در این چرخه، بازگرداندن مایع تقطیرشده به انتهای داغ در خلاف جهت جریان بخار و اغلب در خلاف جهت نیروی جاذبه است. اینجاست که ساختار فتیله‌ای وارد عمل می‌شود. اکثر لوله‌های حرارتی مسی مدرن از یک فتیله پودر فلز متخلخل استفاده می‌کنند که شبیه یک اسفنج میکروسکوپی است و دیواره‌های داخلی لوله را می‌پوشاند. از طریق خاصیت مویینگی (همان نیروی فیزیکی که به دستمال کاغذی اجازه می‌دهد مایع ریخته‌شده را جذب کند یا به گیاه اجازه می‌دهد آب را از ساقه خود بالا بکشد)، فتیله، آب مایع را به بخش تبخیرکننده برمی‌گرداند تا دوباره به جوش آید.[2][4]

اگر منبع گرما بالاتر از کندانسور قرار داشته باشد، عمل مویینگی باید به اندازه‌ای قوی باشد که بر افت فشار بخار در حال حرکت و هرگونه کشش گرانشی غلبه کند. فتیله‌های مسی متخلخل نیروی پمپاژ مویینگی بسیار خوبی را فراهم می‌کنند و به لوله حرارتی اجازه می‌دهند در هر جهتی، حتی وارونه، کار کند. با این حال، اگر بار حرارتی از حد مویینگی فراتر رود (به این معنی که آب سریع‌تر از آنکه فتیله بتواند مایع جدید را به عقب پمپ کند تبخیر شود)، تبخیرکننده خشک خواهد شد. هنگامی که یک لوله حرارتی خشک می‌شود، رسانایی حرارتی آن به شدت کاهش یافته و به اندازه رسانایی محفظه مسی نازک (تقریباً ۱/۸۰ ظرفیت طراحی‌شده آن) می‌رسد و قطعه متصل به آن به سرعت بیش از حد گرم می‌شود.[4][5]

در لپ‌تاپ‌های سبک و باریک و گوشی‌های هوشمند، مهندسان اغلب لوله‌های حرارتی گرد را صاف می‌کنند تا در داخل شاسی‌های چند میلی‌متری جای بگیرند. یک لوله حرارتی گرد استاندارد ۶ میلی‌متری ممکن است تا ضخامت تنها ۲ میلی‌متر فشرده شود. در حالی که این کار محدودیت فضای فیزیکی را حل می‌کند، اما حفره بخار داخلی را به شدت محدود کرده و فتیله را فشرده می‌سازد. صاف کردن یک لوله ۶ میلی‌متری به ۲ میلی‌متر، حداکثر ظرفیت انتقال حرارت آن را تقریباً ۱۳ درصد کاهش می‌دهد. اگر یک لوله ۳ میلی‌متری به همان ضخامت ۲ میلی‌متر صاف شود، ظرفیت آن به میزان چشمگیر ۳۰ درصد افت می‌کند. طراحان سیستم باید دائماً بین فضای فیزیکی اشغال‌شده توسط دستگاه و حاشیه امنیت حرارتی مورد نیاز تعادل ایجاد کنند.[4]

انتخاب سیال عامل، محدوده دمایی عملکرد لوله را تعیین می‌کند. در حالی که آب برای قطعات الکترونیکی که بین ۲۰ تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند ایده‌آل است، در کاربردهای برودتی یا فضای عمیق که در آن کاملاً یخ می‌زند، بی‌فایده است. برای آن محیط‌ها، مهندسان از سیالاتی مانند آمونیاک یا نیتروژن استفاده می‌کنند. برعکس، برای بازیابی اگزوزهای صنعتی با دمای بالا یا تبدیل انرژی هسته‌ای، از فلزات مایع مانند سدیم یا لیتیوم استفاده می‌شود که قادرند در دماهای بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد بدون تجزیه شدن کار کنند.[1][4][5]

مکانیک بنیادی لوله حرارتی از زمان آزمایش‌های گروور در لس آلاموس تغییری نکرده است، اما دقت تولید به طور تصاعدی افزایش یافته است. از آنجایی که توان طراحی حرارتی پردازنده‌ها از ۳۰۰ وات فراتر می‌رود، صنعت در حال حرکت به سمت محفظه‌های بخار (vapor chambers) است؛ در واقع لوله‌های حرارتی مسطح و دوبعدی که گرما را به جای یک مسیر خطی، در یک سطح وسیع پخش می‌کنند. با این حال، فیزیک پایه یکسان باقی می‌ماند: مهار گرمای نهان تبخیر، حرکت دادن آن از طریق فشار، و بازگرداندن آن از طریق خاصیت مویینگی.[3][4]