Isı borusu

Isı borusu, iki katı arayüz arasında ısı transferi yapmak için faz geçişi kullanan bir ısı transfer cihazıdır.

Bir ısı borusunun sıcak arayüzünde, termal olarak iletken bir katı yüzeyle temas halindeki uçucu sıvı, o yüzeyden ısı emerek buhara dönüşür. Buhar daha sonra ısı borusu boyunca soğuk arayüze doğru hareket eder ve tekrar sıvıya yoğunlaşarak gizli ısıyı serbest bırakır. Sıvı daha sonra kılcal etki, merkezkaç kuvveti veya yerçekimi yoluyla sıcak arayüze geri döner ve döngü tekrar eder.

Kaynama ve yoğunlaşma için çok yüksek ısı transfer katsayıları nedeniyle, ısı boruları oldukça etkili termal iletkenlerdir. Etkili termal iletkenlik, ısı borusu uzunluğuna göre değişir ve uzun ısı boruları için 100 kW/(m⋅K)'ye yaklaşabilirken, bakır için yaklaşık 0,4 kW/(m⋅K)'ye yaklaşabilir.

 Yapı, tasarım ve inşaat 
küçükresim|upright=1.4|Fitilli bir ısı borusunun bileşenlerini ve mekanizmasını gösteren diyagram
küçükresim|upright=1.36||Isı boruları, Ekati Elmas Madeni'ndeki madencilik faaliyetleri sırasında zemini donmuş halde tutar ve açık ocaklara su transferini engeller
küçükresim|Bu 100 mm x 100 mm x 10 mm yüksekliğindeki ince düz ısı borusu (ısı yayıcı) animasyonu, yüksek çözünürlüklü CFD analizi kullanılarak oluşturulmuştur ve CFD analiz paketi kullanılarak tahmin edilen sıcaklık konturlu akış yörüngelerini göstermektedir
küçükresim|Bu 120 mm çaplı buhar odası (ısı yayıcı) ısı emici tasarımı termal animasyonu, yüksek çözünürlüklü CFD analizi kullanılarak oluşturulmuştur ve bir CFD analiz paketi kullanılarak tahmin edilen sıcaklık konturlu ısı emici yüzeyini ve akışkan akış yörüngelerini göstermektedir
küçükresim|Bir dizüstü bilgisayar CPU'sunu soğutmak için kullanılan ısı borusunun kesiti. Cetvel ölçeği milimetre cinsindendir
küçükresim|İnce düzlemsel kılcal damarlı (aqua renkli) 500 m kalınlığında düz bir ısı borusunun kesit görünümü
küçükresim|Uzak ısı emici ve fanlı ince düz ısı borusu (ısı yayıcı)

Tipik bir ısı borusu, su ısı boruları için bakır veya amonyak ısı boruları için alüminyum gibi çalışma sıvısıyla uyumlu bir malzemeden yapılmış kapalı bir borudan oluşur. Tipik olarak, boş ısı borusundan havayı çıkarmak için vakum pompası kullanılır. Isı borusu kısmen çalışma sıvısı ile doldurulur ve ardından kapatılır. Çalışma akışkanının kütlesi, ısı borusunun çalışma sıcaklık aralığında hem buhar hem de sıvı içerecek şekilde seçilir.Faghri, A, 2016, Heat Pipe Science and Technology, ikinci basım, Global Digital Press.

Belirli bir ısı borusu sisteminin belirtilen/önerilen çalışma sıcaklığının kritik önemi vardır. Çalışma sıcaklığının altında, sıvı çok soğuktur ve gaza dönüşemez. Çalışma sıcaklığının üzerinde, tüm sıvı gaza dönüşür ve ortam sıcaklığı gazın herhangi birinin yoğunlaşması için çok yüksektir. Büyük miktarda azalmış ısı transfer oranıyla ısı borusunun duvarlarından hala Isı iletimi mümkündür. Ayrıca, belirli bir ısı girişi için çalışma akışkanının minimum sıcaklığına inmesi gerekir. Diğer uçta ise, ısı transfer katsayısındaki herhangi bir ek artış (sapma) ilk tasarımdan ısı borusunun çalışmasını engeller. Bu durum, ısı boru sistemine bir fan yardımcı oluyorsa, ısı boru işleminin bozulabileceği ve bunun da ısı yönetim sisteminin etkinliğinin azalmasına yol açabileceği anlamında sezgiye aykırı olabilir ki muhtemelen ciddi şekilde azalır.

Bir ısı borusunun çalışma sıcaklığı ve maksimum ısı taşıma kapasitesi (sıvıyı sıcak alana geri döndürmek için kullanılan kılcal veya diğer yapıyla (merkezkaç kuvveti, yerçekimi, vb.) sınırlıdır) bu nedenle kaçınılmaz ve yakından ilişkilidir.

Çalışma akışkanları, ısı borusunun çalışması gereken sıcaklıklara göre seçilir; örnekler arasında son derece düşük sıcaklık uygulamaları (2–4 K) için sıvı helyumdan, son derece yüksek sıcaklıklar için cıvaya (523–923 K), sodyuma (873–1473 K) ve hatta indiyuma (2000–3000 K) kadar çeşitlilik vardır. Oda sıcaklığı uygulamaları için ısı borularının büyük çoğunluğu çalışma akışkanı olarak amonyak (213–373 K), alkol (metanol (283–403 K) veya etanol (273–403 K)) veya su (298–573 K) kullanır. Bakır/su ısı boruları bakır zarflıdır, çalışma akışkanı olarak su kullanır ve tipik olarak 20 ila 150 °C sıcaklık aralığında çalışır. Su ısı boruları bazen kısmen suyla doldurulur, su kaynayana ve havasını dışarı atana kadar ısıtılır ve sonra sıcakken kapatılarak doldurulur.

Isı borusunun ısıyı aktarabilmesi için doymuş sıvı ve buharını (gaz fazı) içermesi gerekir. Doymuş sıvı buharlaşır ve yoğuşturucuya gider, burada soğutulur ve doymuş sıvıya geri döndürülür. Standart bir ısı borusunda, yoğuşmuş sıvı, çalışma akışkanının sıvı fazı üzerinde kılcal etki uygulayan bir fitil yapısı kullanılarak buharlaştırıcıya geri döndürülür. Isı borularında kullanılan fitil yapıları arasında sinterlenmiş metal tozu, elek ve boru eksenine paralel birçok oluğa sahip oluklu fitiller bulunur. Yoğuşturucu, buharlaştırıcının üzerinde bir yerçekimi alanında bulunduğunda, yerçekimi sıvıyı geri döndürebilir. Bu durumda, ısı borusu bir termosifondur. Son olarak, dönen ısı boruları, sıvıyı yoğuşturucudan buharlaştırıcıya geri döndürmek için santrifüj kuvvetlerini kullanır.

Isı boruları mekanik hareketli parçalara sahip değildir ve genellikle bakım gerektirmezler, ancak borunun duvarlarından yayılan, çalışma sıvısının bozulmasından kaynaklanan veya malzemede orijinal kirlilikler olarak bulunan yoğuşmayan gazlar, sonunda borunun ısıyı aktarmadaki etkinliğini azaltabilir.

Isı borularının diğer birçok ısı dağıtma mekanizmasına göre avantajı, ısıyı aktarmadaki büyük verimlilikleridir. Bir inç çapında ve iki fit uzunluğunda bir boru, uçtan uca yalnızca  düşüşle  sıcaklıkta 3,7 kW (saatte 12.500 BTU) aktarabilir. Bazı ısı boruları, Güneş'in yüzeyinden geçen ısı akısının yaklaşık dört katı olan 23 kW/cm2'den fazla bir ısı akısı göstermiştir.Jim Danneskiold,   Los Alamos-developed heat pipes ease space flight. Los Alamos News Release, April 26, 2000.

Isı boruları kılıf, fitil ve çalışma sıvısından oluşur. Isı boruları bakım gerektirmeyen çok uzun süreli çalışma için tasarlanmıştır, bu nedenle ısı borusu duvarı ve fitili çalışma sıvısıyla uyumlu olmalıdır. Uyumlu gibi görünen bazı malzeme/çalışma sıvısı çiftleri uyumlu değildir. Örneğin, alüminyum bir kılıf içindeki su birkaç saat veya gün içinde büyük miktarda yoğuşmayan gaz üreterek ısı borusunun normal çalışmasını engeller.

Isı boruları 1963'te George Grover tarafından yeniden keşfedildiğinden beri, uyumlu zarf/akışkan çiftlerini belirlemek için kapsamlı ömür testleri yürütülmüştür, bazıları onlarca yıl sürmektedir. Bir ısı borusu ömür testinde, ısı boruları uzun süre çalıştırılır ve yoğuşmayan gaz oluşumu, malzeme taşınması ve korozyon gibi sorunlar açısından izlenir.Life Tests 

En sık kullanılan kılıf (ve fitil)/sıvı çiftleri şunlardır:

 Elektronik soğutma için su çalışma sıvısı içeren bakır zarf. Bu, açık ara en yaygın ısı borusu türüdür.
 HVAC sistemlerinde enerji geri kazanımı için R-134a soğutucu akışkanlı bakır veya çelik zarf.
 Uzay aracının termal kontrolü için amonyaklı çalışma sıvısı içeren alüminyum kılıf..
 Yüksek sıcaklık ısı boruları için alkali metal (sezyum, potasyum, sodyum) çalışma sıvısı içeren süper alaşımlı zarf, en yaygın olarak birincil sıcaklık ölçüm cihazlarının kalibrasyonunda kullanılır.
Diğer çiftler arasında, 100 K'nin altındaki sıcaklıklarda azot, oksijen, neon, hidrojen veya helyum çalışma sıvıları içeren paslanmaz çelik kılıflar, ısı borusunun su aralığının altında çalışması gerektiğinde elektronik soğutma için bakır/metanol ısı boruları, amonyağın donabileceği ortamlarda uzay aracı ısı kontrolü için alüminyum/etan ısı boruları ve yüksek sıcaklık ( üzerinde) uygulamaları için refrakter metal kılıf/lityum çalışma sıvısı yer alır.

Isı boruları belirli soğutma koşullarına göre ayarlanmalıdır. Boru malzemesi, boyutu ve soğutucu seçimi, ısı borularının çalıştığı optimum sıcaklıklar üzerinde etkilidir. Tasarım ısı aralığının dışında kullanıldığında, ısı borusunun ısı iletkenliği etkili şekilde yalnızca katı metal kasasının ısı iletimi özelliklerine indirgenir. Bakır kasa durumunda, bu orijinal akının yaklaşık 1/80'idir. Bunun nedeni, amaçlanan sıcaklık aralığının dışında çalışma sıvısının faz değişimine uğramamasıdır; aralığın altında çalışma sıvısı asla buharlaşmaz ve aralığın üzerinde asla yoğunlaşmaz.

Çoğu üretici, malzeme kısıtlamaları nedeniyle çapı 3 mm'den küçük geleneksel bir ısı borusu üretemez. Elektronikte soğutma performansını artırabilen grafen içeren ısı boruları gösterilmiştir.

Kaynakça

Kategori:Isıtma, havalandırma ve klima
Kategori:Bilgisayar donanımı soğutma
Kategori:Uzay aracı parçaları
Kategori:Isı transferi