bélyegkép|Hőcsöves hűtőrendszer egy laptopban A hőcső (angolul: heat pipe) egy olyan hőátadó eszköz, amely fázisátalakulás során (párolgás-lecsapódás) létrejövő hőmozgást alkalmazza két, különböző hőmérsékletű test, vagy térrész közötti hőátvitelére (melegebbről a hidegebbre). Ezt passzív módon végzi, működéséhez nem használ külső energiaforrást. Működése elve hasonlít a kondenzációs gázkazán hővisszanyerési módjához (melyben az égéstermékben levő gőzt lecsapatva nyerik vissza belőle a párolgási hőt).
A hőcső egy zárt térfogatú eszköz, benne illékony folyadékkal. Az eszköz két, különböző hőmérsékletű testet (vagy képlékeny anyagot tartalmazó térrészt) köt össze, segítségével hő áramlik a melegebb részről a hidegebbre. A melegebb testtel érintkező végének belső felületén az ott lévő illékony folyadék (munkaközeg) elpárolog, gőzzé alakul. Ehhez az átalakuláshoz hőt von el ettől a felülettől. A gőz ezután szétterjed a hőcső belsejében, diffúzió és áramlás során, idővel eljut a hőcső hideg részéhez, amelynek alacsonyabb a hőmérséklete, mint a folyadékgőz harmatpontja. Ezen a felületen a gőz lecsapódik, folyadékká alakul vissza és közben leadja az elpárolgásakor elvont hőt. Ez a folyadék ezután kapillaritás, centrifugális erő vagy gravitáció révén visszatér a hőcső melegebb felületre és a ciklus megismétlődik.
A forrásban, párolgásban és lecsapódásban (kondenzáció) mutatkozó nagyon magas hőátadási együtthatók miatt (például a víz párolgáshője 2257 kJ/kg) a hőcsövek rendkívül hatékony hővezetők. A hővezető képesség a hőcső hosszától függ és hosszú hőcsövek esetén megközelítheti a 100 kW/(m⋅K) értéket. Ha a cső tömör rézből lenne ez az érték csak 0,4 kW/(m⋅K) körüli lenne.
A modern CPU-k hűtőcsövei jellemzően rézből készülnek és vizet használnak munkaközegként.
Története A gravitációt használó hőcsövek általános elve, amelyeket általában kétfázisú termoszifonként osztályoznak, a gőzgépek korszakáig nyúlik vissza. Angier March Perkins még az 1800-as évek elején foglalkozott csőbe zárt, hőt szállító folyadékokkal; 1839-ben szabadalmaztatott is egy berendezést, ami folyékony halmazállapotú anyaggal volt teljesen feltöltve. Utódja, Jacob Perkins 1936-ban védett le a „Perkins csövét”, melyben folyadék gőz halmazállapotba váltott. Egyetlen 1g víznél a halmazállapot-váltáshoz szükséges hő 100 gramm rezet 173 fokkal melegít fel. Perkins berendezésében hosszú, tekervényes csövek voltak, a párologtatóegység (meleg vég) lenn kapott helyet, a felmelegedett gőz felszállt. A fent lehűlő és vízzé változó gőz a gravitáció hatására jutott vissza az alsó, meleg végéhez. Gőzmozdonyokban és ipari sütőberendezésekben használtak ilyen rendszereket. A kapilláris alapú hőcsöveket először R. S. Gaugler, General Motors munkatársa javasolta 1942-ben, aki szabadalmaztatta az ötletet, de nem fejlesztette tovább.
George Grover 1963-ban, a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban önállóan fejlesztette ki a kapilláris alapú hőcsöveket; az abban az évben bejegyzett szabadalma volt az első, amely ezekre a „hőcső” kifejezést használta ezért gyakran emlegetik őt a „hőcső feltalálójaként”.
Grover javaslatát a NASA is átvette, amely az 1960-as években vezetőnek számított a hőcsövek fejlesztésében, különösen az űrrepülések megbízhatóságát növelő műszaki alkalmazásokban. Az űrkutatásban nagyon fontos a megbízhatóság, a kis tömeg és az alacsony energiaigény. A hőcsövek, kis tömegűek, magas hőáramot hoznak létre, energiafogyasztásuk nulla és a gravitáció hiányában (pontosabban: mikrogravitációban) is működőképesek.
Az első űralkalmazás a műholdas átjátszóállomások termikus egyensúlyának biztosítása volt. A műholdak, a Föld körül keringve egyik oldalukra közvetlen napsugárzás kapnak, míg a másik, árnyékos oldaluk a világűr mély hidegének van kitéve. Ez súlyos hőmérséklet-eltéréseket okoz a berendezésben, ami csökkenti a megbízhatóságukat és pontosságukat. Az erre a célra tervezett hőcső sikeresen kezelte a felmelegedés-lehűlés miatti nagy hőáramokat és hibátlan működést biztosított a gravitáció befolyásával és anélkül is. Ez a hűtőrendszer volt az első, amely változó vezetőképességű hőcsöveket használt a hőáramlás, vagy az elpárologtató (hideg vég) hőmérsékletének aktív szabályozására.
A NASA extrém körülményekre tervezett hőcsöveket tesztelt, némelyik folyékony nátriumot használt munkaközegként. A hőcsövek más formái kommunikációs műholdakat hűtenek. Feldman, Eastman és Katzoff 1967-es és 1968-as publikációi tárgyalták először a hőcsövek szélesebb körű alkalmazását, például a légkondicionálókban, a motorhűtésben és az elektronika hűtésében. Ezek a tanulmányok említették először a flexibilis, artériális és síklemezes hőcsöveket. Az 1969-es publikációkból megismerhettük a forgó hőcső koncepcióját, amit turbinalapátok hűtésében alkalmaztak, illetve a hőcsövek kriogén (mélyhűtési, fagyasztási) folyamatokban való alkalmazását.
Az 1980-as évektől kezdődően Sony hőcsöveket kezdett beépíteni kereskedelmi elektronikai termékeibe a kényszerített konvekciós (ventilátoros) és a passzív hűtőbordák helyett. Kezdetben vevőegységekben és erősítőkben használták őket, majd hamarosan más nagy hőáramú elektronikai alkalmazásokra is átterjedtek.
Az 1990-es évek végén a személyi számítógépek egyre nagyobb hőt termelő CPU-inak elterjedésének hatására a hőcsövekre vonatkozó szabadalmi bejelentések száma háromszorosra növekedett az USA-ban. Ahogy a hőcsövek egy speciális ipari hőátadó alkatrészből fogyasztási cikké fejlődtek, a fejlesztés és a gyártás nagy része az Egyesült Államokból Ázsiába helyeződött át.
A CPU hűtőcsövei jellemzően rézből készülnek és vizet használnak munkaközegként.
Hőcsövek szerkezete alt=Longitudinal cross-section of a heat pipe. It is closed at both ends. The 'wick' coats the inside surface, while the inner cavity is filled with vapour. The diagram illustrates heat transfer: 1. (left end of the pipe) working fluid evaporates to vapour absorbing thermal energy; 2. vapour migrates along cavity to lower temperature end; 3. vapour condenses back to fluid and is absorbed by the wick, releasing thermal energy; 4. working fluid flows back to the lower temperature end.|bélyegkép| Hőcső alkatrészei és működése. A cső belül nedvszívó bevonattal (wick, magyarul: kanóc) rendelkezik. A meleg oldalon a munkafolyadék hőt vesz fel (1) és elpárolog, gőz (2) lesz belőle, ami a hideg oldalra jutva lecsapódik és leadja a párolgáskor felvett hőt, melegítve ezt a véget (3). A folyadékot felszívó kanóc visszavezeti azt a meleg véghez (4) ahol újra elpárolog, hőt vonva el. alt=A worker in high visibility clothing and a hard hat examines a long line of pipes about four times his height sticking out of rocky ground.|bélyegkép| A hőcsövek fagyottan tartják a talajt, így akadályozzák meg, hogy a külszíni fejtésbe víz jusson át (Ekati Gyémántbánya). bélyegkép|Animáció, ami a hőáramlást mutatja (számítógépes szimuláció alapján) egy 100 mm×100 mm×10 mm méretű, lapos hőcső belsejében. A képen piros a legmelegebb, kék a leghidegebb rész. Alul középen érkezik a hűtendő eszközből elvont hő amit a gőzkamra a felső lapon oszlat szét
bélyegkép|Egy laptop CPU-jának hűtésére szolgáló hőcső keresztmetszete. Látszik a nedvszívó kanócréteg a belső felületén. A vonalzó milliméteres beosztású. bélyegkép|Egy lapos hőcső (500 μm vastag), vékony sík kapillárissal bélyegkép|Vékony, lapos hőcső (hőelosztó) különálló hűtőbordával és ventilátorral Egy tipikus hőcső burkolatból (lezárt cső), egy úgynevezett kanócból és egy munkaközegből áll. A burkolat olyan anyagból készül, amely kompatibilis a munkaközeggel, például rézből a vizes vagy alumíniumból az ammóniás hőcsövekhez. A kanóc a belső felszín bevonata, ami megnöveli a felületét, segíti a lecsapódott folyadék visszajutását a meleg véghez (sok esetben porózus anyag, amit a folyadék jól nedvesít). Gyártáskor egy vákuumszivattyú eltávolítja a levegőt a csőből, amit ez után, részben munkaközeggel töltenek fel, majd lezárnak. A munkaközeg tömegét (mennyiségét) úgy választják meg, hogy a hőcső az üzemi hőmérsékleti tartományban gőzt és folyadékot is tartalmazzon.
Egy adott hőcsöves rendszer üzemi hőmérséklete kritikus fontosságú. Az üzemi hőmérsékletnél hidegebb hőcsőben a folyadék nem tud elpárologni, gőzzé válni. Az üzemi hőmérséklet felett viszont a benne levő összes folyadék gőzzé alakul és sehol sem tud lecsapódni. Ezekben az esetekben a hőcső működésképtelen. Hővezetés ilyenkor is van, de az átadott hő mértéke sokkal kisebb. A hideg végnél egy adott hőbevitelhez el kell érni a minimális munkaközeg-hőmérsékletet, míg a másik végén a hőátadási együttható bármilyen további növekedése (eltérése) gátolja a hőcső működését. Az üzemi hőmérséklet és a maximális hőátadó kapacitás – amelyet a kapilláris vagy más, a meleg véghez visszavezető szerkezet határoz meg – szorosan összefügg.
A munkafolyadékokat a kívánt üzemi hőmérsékleteknek megfelelően választják ki,
például
2–4 K (-271 -– -269°C) rendkívül alacsony hőmérséklet tartományban, folyékony hélium
213–373 K tartományban ammónia,
283–403 K tartományban metanol,
273–403 K tartományban etanol,
298–573 K tartományban víz
523–923 K (250 -– 650°C) tartományban higany,
873–1473 K (600 -– 1200°C)tartományban nátrium,
2000–3000 K (1727 -– 2727°C) tartományban indium.
A réz/víz hőcsövek rézburkolattal rendelkeznek, vizet használnak munkaközegként és jellemzően -on működnek. A vizes hőcsöveket gyártáskor részben feltöltik vízzel, majd addig melegítik, amíg a víz felforr és kiszorítja belőle a levegőt, majd azonnal lezárják.
A hőcsőnek folyadékot és annak telített gőzét (gázfázis) kell tartalmaznia.
A kanóc kapilláris hatást kifejtve felszippantja a folyadékot, átnedvesedik és így visszajuttatja azt a párologtatóba (meleg vég). A kanóc többféle szerkezetű is lehet, például szinterezett fémpor, fémszövet, vagy hornyok a cső belső falán, a cső tengelyével párhuzamosan. Amikor a kondenzátor (hideg vég) a párologtató (meleg vég) felett helyezkedik el (magasabban a gravitációs térben), a gravitáció juttatja vissza a folyadékot (visszacsurog) az ilyen rendszer a hőszifon. Forgó hőcsövekben a centrifugális erő segítségével juttatják vissza a folyadékot a kondenzátorból az elpárologtatóba.
A hőcsövek nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket és jellemzően nem igényelnek karbantartást. Előfordulhat azonban, hogy idővel
a cső falain keresztül diffundáló (bejutó), a munkaközeg lebomlása során keletkező, a cső anyagában eredetileg szennyeződésként jelenlevő,
folyadékként le nem csapódó gázok csökkentik a hőcső hatékonyságát.
A hőcső előnye sok más hőelvezető mechanizmussal szemben a hőátadás hatékonysága. Egy 25 mm átmérőjű és 610 mm hosszú hőcső 980°C-os hőmérsékleten 3,7 kW hőteljesítményt visz át úgy, hogy a meleg és hideg végei között mindössze 10°C a hőmérséklet különbség. Néhány hőcsőnél mértek már több mint 23 kW/cm2 felületi hőteljesítményt, ami körülbelül négyszerese a Nap felszíni hőteljesítményének.
A leggyakrabban használt burok/kanóc/folyadék kombinációk a következők:
Rézburkolat / vízközeg elektronikai hűtéshez. Ez messze a leggyakoribb típus. Réz vagy acél burkolat R134a hűtőközeggel HVAC rendszerekben. Alumínium burkolat ammóniafolyadékkal űrhajók hőszabályozására. Superalloy burkolat alkálifém (cézium, kálium, nátrium) folyadékeleggyel magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz, például elsődleges hőmérsékletmérő eszközök kalibrálásához. rozsdamentes acél burkolatok folyékony nitrogénnel, oxigénnel, neonnal, hidrogénnel vagy héliummal munkafolyadékként, 100 K alatti hőmérsékleten, réz / metanol elektronikai hűtéshez, amikor a hőcsőben már megfagyna a víz alumínium / etán hőcsövek űrhajók hőszabályozására olyan hideg környezetben, ahol az ammónia megfagyna tűzálló fém burkolat / lítiumfolyadék 1320 K (1050°C) feletti alkalmazásokhoz.