Wickless varmeledninger:Ny dynamik afsløret i et nær vægtløst miljø

Varmeledninger er enheder til at forhindre kritisk udstyr i at blive overophedet. De overfører varme fra et punkt til et andet gennem en fordampningskondensationsproces og bruges i alt fra mobiltelefoner og bærbare computere til klimaanlæg og rumfartøjer.

Normalt, varmeledninger indeholder porøse metalvæger, der returnerer væske til den opvarmede ende af røret, hvor det fordamper. Men ingeniører arbejder på at udvikle vægeløse varmeledninger, der er lettere og mere pålidelige. Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute startede projektet Constrained Vapor Bubble (CVB) for at studere disse vægeløse varmeledninger til brug i nær-nul tyngdekraftsmiljøer til rumfartsapplikationer.

"Væggestrukturer kan være vanskelige at holde rene eller intakte over lange perioder. Problemet er især akut til applikationer, såsom NASAs rejse til Mars -mission, der sætter en præmie på pålidelighed og minimal vedligeholdelse, "sagde professor Joel Plawsky, der leder Isermann -afdelingen for kemisk og biologisk teknik på Rensselaer.

Arbejder med et NASA -ingeniørteam, forskerne udfører CVB -eksperimenter på den internationale rumstation. Plawsky og postdoktor Thao Nguyen skrev for nylig en artikel om CVB -projektet i Fysik i dag , udgivet af American Institute of Physics.

"CVB -projektet er designet til at optage, for første gang, den fulde fordeling af damp og væske i et varmeledning, der opererer i mikrogravity. Resultaterne kan føre til udvikling af mere effektive kølesystemer inden for mikroelektronik på Jorden og i rummet, "Sagde Plawsky.

En velkendt teknologi i et ukendt miljø

Et varmeledning er delvist fyldt med et arbejdsvæske, såsom vand, og derefter forseglet. Ved varmekilden, eller fordamper, væsken absorberer varme og fordamper. Dampen bevæger sig langs varmeledningen til kondensatoren, re-flydende og frigiver sin latente varme, til sidst vender tilbage til fordamperen, uden bevægelige dele.

I CVB -eksperimentet Plawskys team oprettede et miniaturevarmerør, ved hjælp af pentan (en organisk væske) i en glaskuvette med firkantede hjørner. En elektrisk modstandsvarmer blev fastgjort til fordamperenden. I den anden ende, et sæt termoelektriske kølere holdt kondensatortemperaturen fast. Det transparente rør gav forskerne mulighed for at studere væskedynamikken i detaljer, og kuvettens skarpe hjørner erstattede vægejobbet.

To hovedkræfter påvirker, hvordan et varmeledning fungerer:kapillær- og Marangoni -kræfter. Kapillarkraften er det, der driver væsken tilbage mod fordamperen. Dette er den samme kraft, der får væske til at kravle op i et sugerør. Marangoni -kraften opstår som følge af en ændring i væskens overfladespænding med temperaturen. Denne kraft modsætter sig kapillarkraften og driver væske fra fordamperen til kondensatoren.

En balancelov

Når mængden af ​​fordampning af væske er større end hvad der kan pumpes tilbage af kapillarkraften, fordamperenden af ​​varmeledningen begynder at tørre ud. Denne "kapillærgrænse" er den mest almindelige ydelsesbegrænsning for et varmeledning.

Forskerne forventede, at det samme ville ske i CVB -eksperimentet. Men, i stedet, fordamperen oversvømmet med væsken. Det er fordi Marangoni og kapillarkræfterne ikke længere kæmpede mod tyngdekraften. Som resultat, Marangoni -styrken overvældede kapillærkraften, forårsager kondens i fordamperenden. Imidlertid, nettoeffekten var den samme, som hvis varmeledningen var tørret op.

"Da den oversvømmede region voksede, røret gjorde et dårligere job med at fordampe væske, ligesom det ville ske, hvis varmelegemet tørrede ud, "Sagde Plawsky.

Forskerne har imødegået dette problem i den næste fase af CVB -projektet ved at tilføje en lille mængde isohexan til pentanen. Isohexan koger ved en højere temperatur og har en højere overfladespænding. Denne ændring i overfladespænding annullerer den temperaturdrevne Marangoni-kraft, genoprette varme rørets ydeevne.

"School of Engineering på Rensselaer og NASA har haft langvarige og produktive samarbejder om en række vigtige forskningsprojekter, "sagde ingeniørdekan Shekhar Garde." Dr. Plawskys varmepipeforskning er et godt eksempel på vores arbejde med NASA for at hjælpe med at oversætte grundlæggende forståelse af væsker til virkelige applikationer her på Jorden og i rummet. "