لوله حرارتی دستگاه انتقال حرارتی است که اصول رسانش حرارتی و انتقال فاز را برای کارآمد کردن انتقال حرارت بین دو مرز جامد ترکیب می‌کند.

   در مرز داغ لوله حرارتی، یک مایع که در تماس با سطح جامد رسانای حرارتی است، با جذب حرارت از سطح به بخار تبدیل می‌شود. سپس بخار در طول لوله به سمت مرز سرد حرکت می‌کند و مجدداً به مایع تبدیل می‌شود و گرمای نهان خود را آزاد می‌کند. مجدداً مایع به‌واسطه عمل مویرگی، نیروی سانتریفیوژی یا جاذبه به سمت مرز داغ برمی‌گردد و این چرخه تکرار می‌شود. به دلیل داشتن ضرایب انتقال حرارت بسیار زیاد برای جوشش و میعان، لوله‌های حرارتی رساناهای حرارتی با راندمان بسیار بالایی هستند. رسانش حرارتی مؤثر این لوله‌ها با طول لوله تغییر می‌کند و می‌تواند برای لوله‌های بلند به 100 kw/(m.K) برسد درحالی‌که این مقدار در مقایسه با ضریب مس معادل 0.4 kw/(m.K) بسیار قابل‌توجه است.

ساختمان، طراحی و ساختار

   یک لوله حرارتی معمولاً شامل لوله آب‌بندی‌شده یا ساخته‌شده از موادی است که برای کار با سیالات مناسب است. به‌عنوان مثال، مس برای لوله‌های حرارتی آبی یا آلومینیوم برای لوله‌های حرارتی آمونیاک. معمولاً یک پمپ خلأ برای زدودن هوا از لوله خالی استفاده می‌شود. لوله حرارتی به‌صورت جزئی با سیال کاری پرشده و سپس آب‌بندی می‌شود. سیال کاری انتخاب‌شده به‌گونه‌ای است که در محدوده دمای کاری شامل هم بخار و هم مایع است.

   در زیر دمای کاری، مایع بسیار سرد بوده و نمی‌تواند به گاز تبدیل شود. بالای دمای کاری، تمامی مایع به گاز تبدیل می‌شود و دمای محیطی برای هر گازی برای میعان شدن، بسیار زیاد است. چه در دمای بالای دمای کاری یا پایین‌تر از دمای کاری، رسانش حرارتی از دیواره‌های لوله حرارتی بازهم ممکن است.

   سیال کاری را می‌بایست با توجه به دمایی که قرار است لوله حرارتی کار کند، انتخاب کرد، برای مثال هلیوم مایع برای کاربردهای دمایی بین 2 تا 4 کلوین، جیوه برای 523 تا 923 کلوین و ایندیوم برای 2000 تا 3000 کلوین استفاده می‌شوند.

   برای انتقال حرارت در لوله‌های حرارتی، لوله می‌بایست دارای مایع اشباع و بخارش (فاز گازی) باشد. مایع اشباع بخار شده و به سمت کندانسور حرکت می‌کند تا خنک شده و به مایع اشباع مجدداً تبدیل شود. در یک لوله حرارتی استاندارد، مایع کندانس شده با استفاده از ساختار فتیله‌ای و اعمال عمل مویرگی بر فاز مایع به اواپراتور بازمی‌گردد. درصورتی‌که کندان سور بالای اواپراتور قرارگرفته باشد، در یک میدان جاذبه، نیروی گرانش می‌تواند مایع را بازگرداند. در این حالت، لوله حرارتی ترموسیفون است. در نهایت، لوله‌های حرارتی دوار از نیروهای سانتریفیوژی برای بازگرداندن مایع از کندان سور به اواپراتور استفاده می‌کنند.

   لوله‌های حرارتی هیچ عضو مکانیکی نداشته و معمولاً نیاز به نگهداری ندارند. مزیت لوله‌های حرارتی نسبت به دیگر مکانیسم‌های انتقال حرارت، داشتن راندمان بسیار زیاد است. یک لوله با قطر 1 اینچ و طول دو فوت می‌تواند 12500 BTUدر هر ساعت در 1800 درجه فارنهایت با تنها افت 18 درجه‌ای در طول لوله منتقل کند. برخی از لوله‌های حرارتی شار حرارتی بیش از 23 kW/cm² از خود نشان داده‌اند که تقریباً 4 برابر شار سطح خورشید است.