Lämpöputki

Lämpöputken historia

Lämpöputken idean esitteli ensimmäisenä Angier March Perkins, joka työskenteli yksifaasisen väliaineen parissa. Hän patentoi 1831 ilmatiiviin putkikattilan ns. lämpösifonin. Hänen jälkeläisensä Jacob Perkins patentoi 1836 ns. Perkinsin-putken, jonka käyttö levisi kuljetusvälinetekniikkaan ja leivontauuneihin. Perkinsin-putki toimii kuten lämpösifoni.
Modernin lämpöputken isänä pidetään General Motorsissa työskennellyttä R.S. Gaugleria. Vuonna 1941 työskennellessään jääkaappien jäähdytysongelmien parissa hän visioi laitteen, jossa neste höyrystetään ylempänä kuin missä tiivistyminen tapahtuu ilman ulkopuolista voimanlähdettä. Lauhtunut vesi palautuu ylös haihduttimelle kapillaarivoimien työntämänä. Prosessin toteuttaakseen hän suunnitteli putken seinämään varsin erikoisen kapillaarisen rakenteen lämpökäsitellyistä rautalangoista. Patentti on kirjattu vuonna 1942, mutta General Motors ei kuitenkaan hyödyntänyt Gauglerin kehittämää tapaa.
Kaksikymmentä vuotta myöhemmin Trefethen herätti idean henkiin avaruusohjelman yhteydessä ja todellinen kehitystyö alkoi 1963, jolloin Los Alamosin kansallisen laboratorion insinööri G.M. Grover patentoi uuden tyyppisen lämpöputken. Grover rakensi useita prototyyppejä, joista myöhemmissä versioissa faasiaineena olevan veden korvasi natrium, jolloin lämpötilat nousivat 1100 kelviniin asti.
1964 ensimmäinen kaupallinen yritys (RCA) valmisti lämpöputkia lähinnä Yhdysvaltojen hallituksen tilauksesta. Putkimateriaalina käytettiin, lasia, kuparia, nikkeliä, ruostumatonta terästä ja molybdeeniä. Työaineena olivat vesi, cesium, litium, natrium ja vismutti. Korkeimmat käyttölämpötilat olivat 1400 kelviniä, mutta samaan aikaan myös matalampia käyttölämpötiloja hyödyntäviä lämpöputkia kehiteltiin erityisesti satelliittien ja avaruusteknologian käyttöön.
Lämpöputki sai tunnustuksensa luotettavana lämpökojeena 1965, jolloin T.P. Cotter julkaisi lämpöputken alustavat teoreettiset tulokset sekä suunnittelutyökalut. Maailmanlaajuinen kehittämistyö sai alkunsa Los Alamosin laboratorioiden, jossa myös Cotter työskenteli, ollessa yksi suurimmista edelläkävijöistä.
Ensimmäiset lämpöputket suunniteltiin lähes poikkeuksetta avaruusteknologian käyttöön ensilentojen tapahtuessa 1967. Cape Kennedystä lähetetty toisesta päästä sähköisesti lämmitetty lämpöputki kesti 14 maailmanympärimatkaa toimien moitteettomasti.
Vuonna 1968 Euroopassa tutkittiin nestemäisiä metalleja työaineena sekä suurinta mahdollista niin aksiaalista kuin radiaalista lämpövuota. Myös teoreettista lämmönsiirtokapasiteettia tutkittiin ja lämpöputkien välille alkoi muodostua selkeitä piirteitä muun muassa kapillaarirakenteessa, haihtumisesta syntyvän lämpövuon tekijöihin sekä ei-kondensoituvien kaasujen vaikutuksessa lämpöputken suorituskykyyn.
Samana vuonna Japanissa Kisha Seizo Kaisha –yrityksessä kehiteltiin useista rivoitetuista lämpöputkista muodostettu kimppu, joka osoittautui tehokkaaksi pakokaasujen lämmöntalteenottajaksi. 1969 Isossa-Britanniassa Dunnin ja Readingin yliopistojen yhteistyössä syntyivät levylämpöputki (flat plate heat pipe) sekä kanavalämpöputki (tubular heat pipe). NASA rakensi myös pyörivän lämpöputken, jossa pyörimisliikkeestä aiheutuva voima siirtää nesteen lauhduttimesta haihduttimeen. Tekniikkaa voidaan käyttää roottorin lapojen jäähdyttämiseen.
70-luvun alussa alkoi voimakas kehitystyö maanpäällisten lämpöputkien parantamiseksi. Eräs suuri hanke oli Alaskan öljyputkessa olevan pysyvän jään sulamisen estäminen lämpöputkilla, jotta sulamisvesi ei aiheuttaisi maaperän vajoamista ja ongelmia putkea kannatteleville paaluille. McDonnell Douglas Astronautics –yritys valmisti 12 000 9–23-metristä lämpöputkea kuukaudessa.

Toiminta ja rakenne

Lämpöputket jaetaan kahteen luokkaan sen mukaan onko niissä kapillaarista rakennetta vai ei. Ilman kapillaarirakennetta toimivia lämpöputkia kutsutaan lämpösifoneiksi, mutta lämpöputkea käytetään myös yleisnimityksenä kaikista suljettuun faasimuutokseen perustuvista laitteista.
Lämpöputki on suljettu säiliö, jossa on kapillaarisen rakenteen lisäksi sopiva määrä työainetta. Rakenteessa on erotettavissa pituussuunnassa kolme eri aluetta: haihdutinosa, adiabaattinen höyrynsiirtymisosa sekä lauhdutin. Lämpöputkella voi olla useita lämmönlähteitä ja –kohteita eikä adiabaattista lämmönsiirtymisosaa välttämättä ole riippuen suunnittelusta ja käyttötarkoituksesta.
Ulkoisesta lämmönlähteestä tuleva lämpö siirtyy lämpöputkeen seinämien ja kapillaarirakenteen kautta, jossa se haihduttaa nesteen. Syntyvä höyrynpaine kuljettaa höyryn adiabaattiosan läpi lauhduttimelle, jossa se jäähtyy luovuttaen lämpönsä ulkoiseen lämpönieluun. Kapillaaripaine kuljettaa tiivistyneen veden takaisin haihduttimelle sulkeakseen kierron. Prosessi jatkuu niin kauan kuin putkessa vallitsee riittävä kapillaaripaine.
Tilavuusvoimien, kuten painovoiman, vaikuttaessa on paineenlasku nesteessä suurempaa jolloin myös kapillaaripaineen on oltava suurempi. Kapillaarirakenne mahdollistaa sen, että haihdutin voi sijaita lauhdutinta ylempänä. Lämpöputkessa olevat paineet riippuvat myös syötetyn lämpömäärän ja siis höyryn nopeudesta putkessa. Höyryn nopeuden kasvaessa sen paine alenee nopeammin mentäessä haihduttimelta lauhduttimelle. Tämä aiheuttaa höyryn tiivistymisen jo ennen varsinaista lauhdutinta.
Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaisesti on lauhduttimelta poistuva lämpötila alempi kuin haihduttimelle tuleva ja näin hyötysuhde jää luonnollisesti alle 100 %. Lämpöputkissa kylmän ja kuuman puolen lämpötilaero on kuitenkin suhteellisesti pienempi kuin muissa konvektiivisissa lämmönsiirtimissä. Täysin häviötön ei lämpöputki tule koskaan olemaan.

Lämpöputkia rajoittavia tekijöitä

Vaikka lämpöputki on tehokas lämmönsiirtoväline, on siinä kuitenkin useita lämmönsiirtoa koskevia rajoituksia. Rajoitukset määräävät siirtyvän lämpötehon vallitsevissa työolosuhteissa. Lämpöputken toiminnan kannalta tärkein rajoitus on edellisessä kappaleessa mainittu kapillaarirajoitus. Mikrokokoluokan sekä hyvin matalien lämpötilojen lämpöputkissa voi esiintyä höyryvirran ohentumista molekyyliseen tilaan, jolloin lämmönsiirto jää heikoksi. Lämpöputkissa, joissa kiinteässä olomuodossa oleva työaine joudutaan ennen höyrystämistä sulattamaan, on mahdollisuus, että höyry jähmettyy uudelleen adiabaattiosalla tai lauhduttimessa kuivattaen haihduttimen.
Nestemäistä metallia työaineenaan käyttävissä lämpöputkissa kitkavoimat ovat suurimmillaan höyryvirrassa, jolloin höyrynpaine lauhduttimessa voi laskea nollaan. Seurauksena on heikentynyt lämmönsiirtotehokkuus. Sama ongelma esiintyy myös lämpöputkissa, jotka toimivat alle suunnittelulämpötilansa. Rajoitusta kutsutaan höyrynpainerajoitukseksi. Tehokkuus heikkenee myös, jos virtaavan höyryn nopeus ylittää äänennopeuden. Lauhduttimen jäähtymisominaisuudet rajoittavat siirtyvän lämmön määrää. Lämpöputken radiaalisen lämpövuon tai seinämänlämpötilan kasvaessa liian suureksi voi kapillaarirakenteessa tapahtua työaineen kiehumista, joka vaikuttaa heikentävästi työaineen kiertoon. Rajoitusta kutsutaan kiehumisrajoitukseksi.
Koko lämpöputken käyttöikää ajateltaessa on huomioitava muun muassa rakenteen värähtelykestävyyttä, lämpötilavaihteluiden aiheuttamia kuormituksia lämpöputkessa sekä korroosiokestävyyttä. Lämpöputkea on oltava turvallista käyttää vaativissakin olosuhteissa.

Erilaisia lämpöputkia

Lämpöputkien koot vaihtelevat aina 10 μm:n pituisista 100 metrin pituisiin asti. Poikkileikkauspinnoiltaan erilaisia lämpöputkia yhdistää työaineen kiehumis- ja lauhtumisprosessi, joka voi tapahtua yhdessä, mutta myös monessa eri kohdassa lämpöputkea. Tavallisimmassa mallissa työaine palautuu lauhduttimelle kapillaarirakenteen avulla, mutta myös painovoiman, keskipakoisvoiman, sähköisten tai osmoottisten voimien avulla.

Avaruusteknologia

Lämpöputket soveltuvat erinomaisesti avaruustekniikkaan keveytensä, huoltovapautensa sekä luotettavuutensa perusteella. Suurimmista kehitysaskeleistaan lämpöputket ovat velkaa avaruustutkimukselle. Avaruudessa materiaalit kokevat rajuja lämpötilanvaihteluita ja esimerkiksi satelliitin aurinkopuolen ja varjopuolen lämpötilaeroja tasoittamaan on asennettu lämpöputkia. Avaruuspuvuissa on käytetty lämpöputkia lämmöntuottamiseen ja avaruusaluksissa sähkökomponenttien jäähdyttämiseksi ja lämmönsiirtämiseksi muuhun käyttöön. Lämpöputkia käytetään myös lämpödiodeina esimerkiksi ilmakehässä olevien satelliittien sensoreiden, kuten infrapunailmaisimien, jäähdyttämiseen.
Eräässä mallissa käytetään lasersädettä lämpöputkien lämmönlähteenä. Peililaserlämpöputkissa lasersäde osuu peilipintaan haihduttaen nesteen ja kapillaarirakenne palauttaa faasiaineen uudelleen kiehutettavaksi. Jäähdyttämättömät peiliratkaisut eivät kestä kuin muutaman sekunnin ennen ylikuumentumista, minkä takia peili täytyy jäähdyttää. Vesijäähdytteiset peilit kokevat kuitenkin suuren sisäisen painejakauman, joka aiheuttaa materiaaliin vääristymiä. 1978 R.Barthelemy tutki peililaserlämpöputken toimintaa 10 kW:n laserilla ja huomasi, että lämpöputki toimii, jos vain se on riittävästi esilämmitetty.

Lämmönvaihtimet

Energianhinnan nousu on edistänyt uusien energiansäästömenetelmien kehitystä teollisuudessa. Suuren lämmönsiirtokapasiteettinsa sekä olemattoman energiatarpeensa takia hyödynnetään lämpöputkia useissa eri kohteissa. Energiateollisuudessa lämpöputkia käytetään lähinnä kattilasyöttöilman esilämmittiminä uusissa sekä jo asennettuina olevissa kattiloissa. Suurin hyöty lämpöputkilämmönsiirtimissä verrattuna tavallisiin lämmönsiirtimiin on niiden isotermisyys ja häviöttömyys. Ilmalämittimenä toimivat lämpöputket ovat lisäksi halvempia ja pienempiä. Lämpöputkilämmönvaihtimet toimivat tehokkaina jätelämmön talteenottajina, jotka eivät vaadi ulkopuolista energianlähdettä. Lisäksi painehäviöt ovat alhaiset ja yksikkö on helppo asentaa jälkikäteen.
Lämpöputkilämmönvaihtimet voidaan jakaa kaasu–kaasu, kaasu–neste ja neste–neste tyyppisiin yksiköihin. Teollisuudessa kaasu–kaasu –lämmönvaihtimia käytetään eniten. Näissä lämmönvaihtimissa on useita ulkoisesti rivoitettuja lämpöputkia ja konstruktio on täysin käänteinen. Lämpöä voidaan siis siirtää molempiin suuntiin. Kaasu–kaasu – lämmönvaihtimet voidaan jakaa kolmeen luokkaan: matalissa lämpötiloissa tapahtuvaan lämmöntalteenottoon ilmastoinnista, kohtuullisissa lämpötiloissa ylijäämälämmön talteenottoon sekä jätelämmön talteenottoon korkeissa lämpötiloissa. Lämmönvaihtimien rakenne ja koko riippuvat käyttökohteesta, mutta monia kaupallisia sovelluksia on tarjolla.
Kaasu–neste – lämmönvaihtimet ovat harvinaisempia johtuen kaasu–kaasu – lämmönvaihtimien tehokkaasta rakenteesta. Myös keskipakoisvoimaan perustuvia lämmönvaihtimia on käytössä, joissa pyöreistä, levymäisistä lämpöputkista toinen pinta toimii haihduttimena ja toinen lauhduttimena. Kapillaarirakenteen ja keskeiskiihtyvyyden takia sekä lämmön-, että aineensiirto ovat tehokkaampia kuin tavallisissa lämpöputkilämmönvaihtimissa. Mahdollisia tulevaisuuden sovelluksia ovat pienoislämpöputkilämmönvaihtimet autoissa, mikroprosessoreissa ja kuljetusvälineiden jäähdyttiminä.

Sähkö- ja elektroniikkakomponenttien jäähdytys

Elektroniikkakomponenttien koon pienentyessä ja lukumäärän kasvaessa on muodostuva hukkalämpömäärä keskittynyt pienemmälle alueelle. Tavallisin esimerkki on tietokoneen koon pienentyminen huoneen kokoisesta kämmeneen kokoiseen. Jäähdytystä käytetään monissa eri kohteissa muun muassa tasasuuntaimissa, tyristoreissa, transistoreissa, vahvistimissa ja muissa puolijohdekomponenteissa.
Sen lisäksi, että komponentteja täytyy kuumenemisen estämiseksi jäähdyttää, niin komponentit myös toimivat tehokkaammin matalammissa lämpötiloissa. Sähkömoottorien jäähdyttämisessä käytetään myös lämpöputkia, jotka on mahdollista asentaa moottorin akselille, jolloin jäähtymisen lisäksi myös sähkönvastus pienenee ja moottorin tehokkuus paranee.
Maanalaiset sähköjohdot, jotka on asennettu lähelle kaukolämpöputkia, voidaan jäähdyttää sähkönjohtavuuden parantamiseksi. Huoltovapaa lämpöputki sopii hyvin tähän tarkoitukseen. Sovelluksessa ei tarvita kapillaarista rakennetta vaan tiivistyminen tapahtuu joko maanpinnan yläpuolella tai maan sisällä lauhduttimen yläpuolella. Molemmissa tapauksissa saavutetaan riittävä jäähdytys.
Jäähdyttimiä on kolmea eri päätyyppiä: kanava-, levy- ja konvektiojäähdyttimiä. Kanavajäähdyttimien ei tarvitse olla lämmönlähteen lähettyvillä ja ne voidaan yhdistää kiinteään lämmönlähteeseen tai sisällyttää johonkin muuhun jäähdytysjärjestelmään. Poikkileikkaukseltaan monenmuotoisia kanavajäähdyttimiä voidaan tehostaa rivoittamalla lämpöputki ja kuitenkin samalla pitää järjestelmän koko pienenä.
Lämpöputkilevyjäähdyttimet soveltuvat matalaenergiaisten sovellusten, kuten pienten puolijohde- tai transistorinippujen jäähdyttämiseen. Ongelmana konvektiojäähdyttimissä on materiaalien rajapinnan korkea lämpövastus.

Liikenne, jäänesto ja moottorit

Lämpöputkien käyttöä liikenneturvallisuuden ja -tehokkuuden parantamiseksi on myös tutkittu. Lämpöputkia käytetään monessa kohteessa jään sulattamiseen kiskoilta, ajourilta, silloilta, kiitoteiltä ja jalkakäytäviltä joissa maan sisälle varastoitunut geoterminen energia kulkeutuu maan pinnalle lämpöputkien avulla. Menetelmä on samankaltainen kuin maalämpöpumpuissa. Erityisiä pitkiä lämpöputkia on suunniteltu näitä sovelluksia varten.
Jäätymisestä on myös suurta haittaa laivoille ja laivaliikenteelle. Moottorin hukkalämmön ja lämpöputkien avulla voidaan laivojen kannet ja kaiteet pitää sulina vaativissakin olosuhteissa. Tutkimus navigaatiopoijujen jäätymisen estämiseksi lämpöputkilla on käynnissä. Ammoniakkilämpösifonilla varustetun prototyypin ongelmana on ollut sen tehottomuus pitämään itse poiju sulana.
Lämpöputki soveltuu hyvin Stirling-moottorin lämmönlähteeksi, koska se tuottaa tasaista korkeaenergiaista lämpöä. Näin saadaan myös moottorin hyötysuhde lähelle teoreettista maksimia. Natriumista tai ruostumattomasta teräksestä valmistettujen lämpöputkien työaineena käytetään korkean lämmönsiirtokyvyn omaavia aineita kuten vetyä tai heliumia, jotka toimivat 1000 kelvinin lämpötilassa ja 100 baarin paineessa. (P.D. Dunn et al., 1976)
T.Nguyen on kehitellyt lämpösifonia liitettäväksi Rankine-moottoriin, joka käyttäisi lämmönlähteenä aurinkoa tai prosessin hukkalämpöä. Sovelluksessa haihdutettu neste pyörittäisi turbiinia, jonka jälkeen se lauhtuisi ja palautuisi jälleen uudelleen kiehutettavaksi. Eräs potentiaalinen lämpöputkien käyttösovellus on niiden käyttö auton jarrujen jäähdyttämisessä, jolloin jarrulevyjen elinikä voisi kasvaa jopa koko auton eliniän mittaiseksi.

Muita sovelluksia

Tärkeä lämpöputkien käyttökohde on valuprosessissa, jossa lämpöputket jäähdyttävät valun ja pienentävät valuaihion lämpörasituksia. Usein jäähdyttämiseen käytetään suoraa vesijäähdytystä, mutta valun muoto voi asettaa rajoituksia, jolloin lämpöputkia käytetään hankalimpien kohtien jäähdyttämiseen. Lämpöputket lisäksi toimivat valuaihion esilämmittiminä, jotta sula asettuu muottiin oikein. Samat sovellukset käyvät myös ruiskupuristukseen.
Jäästä aiheutuvat ongelmat ovat tärkeä kohde suunniteltaessa lämpöputkia arktisille alueille. Ensimmäisiä suuria kohteita oli aiemmin mainittu Alaskan öljyputken pysyvän jään sulamisen estäminen. Japanilainen tutkijaryhmä kehitteli keinotekoisen jääsäiliön, jossa lämpöputken haihdutinpää sijaitsi maan sisällä ja lauhdutin ulkoilmassa, jolloin talvikuukausina lämpö kulkeutui maasta ilmaan jäädyttäen maaperän. Ulkolämpötilan kasvaessa keväällä toimii lämpöputki lämpödiodina estäen maan sulamisen.
Arktisissa olosuhteissa on suuri potentiaali jäävarastojen rakentamiseen. Esimerkiksi kaupan alle luolaan rakennettu jäävarasto toimisi kaupan kylmälaitteiden viilentäjänä ympäri vuoden. Lisäksi rakennusten jäähdyttäminen kesäisin olisi mahdollista. Jäävaraston jäätyessä sen vapauttamaa lämpöä voisi käyttää ilmastoinnin esilämmitykseen ja varasto olisi mahdollista sulattaa ulkolämpötilan noustessa riittävästi.
Mahdollisuutta käyttää lämpöputkia keittämiseen, kun aurinkoa ei ole tarjolla, on kokeellisesti tutkittu. Keittimen tehon havaittiin riippuvan suuresti auringon intensiteetistä, keitettävän aineen massasta sekä työaineen termodynaamisista ominaisuuksista. Kokeita on suoritettu hyvissä aurinko-olosuhteissa muun muassa Iranin ja Jordanian aavikoilla sekä stationaariseen, että virtaavaan nesteeseen. Tulokset ovat olleet lupaavia. Myös lämpöputkien toimivuutta suolanpoistoon merivedestä on tutkittu.
Ajan hengen mukaisesti on lämpöputkien käyttöalue laajenemassa nanoteknologiaan. 1–10 mikrometrin mittaiset ja halkaisijaltaan 10–100 nanometriä olevia lämpöputkia säteilytettiin elektronimikroskoopissa 300 keV:in energialla. Olettaen työaineen olevan puhdasta vettä energiaa siirtyi nanoputken toisesta päästä toiseen päähän noin 2 nJ. Tämä nostaisi 5 mikrometrin kokoisen solun lämpötilaa noin 0,01 kelviniä.