Heatpipes zijn apparaten om te voorkomen dat kritieke apparatuur oververhit raakt. Ze brengen warmte van het ene punt naar het andere via een proces van verdamping en condensatie en worden in alles gebruikt, van mobiele telefoons en laptops tot airconditioners en ruimtevaartuigen.

Normaal gesproken, warmtepijpen bevatten poreuze metalen lonten die vloeistof terugvoeren naar het verwarmde uiteinde van de pijp waar het verdampt. Maar ingenieurs werken aan de ontwikkeling van wickless heatpipes die lichter en betrouwbaarder zijn. Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute startten het project Constrained Vapor Bubble (CVB) om deze wickless heat pipes te bestuderen voor gebruik in omgevingen met bijna nul zwaartekracht voor ruimtevaarttoepassingen.

"Het kan moeilijk zijn om lontstructuren gedurende lange tijd schoon of intact te houden. Het probleem is vooral acuut voor toepassingen, zoals NASA's Journey to Mars-missie, die betrouwbaarheid en minimaal onderhoud hoog in het vaandel hebben staan, " zei professor Joel Plawsky, die aan het hoofd staat van de Isermann-afdeling van Chemische en Biologische Technologie in Rensselaer.

Werken met een NASA engineering team, de onderzoekers voeren CVB-experimenten uit in het International Space Station. Plawsky en postdoctoraal onderzoeker Thao Nguyen schreven onlangs een artikel over het CVB-project in Natuurkunde vandaag , gepubliceerd door het American Institute of Physics.

"Het CVB-project is bedoeld om vast te leggen, Voor de eerste keer, de volledige verdeling van damp en vloeistof in een warmtepijp die werkt in microzwaartekracht. De resultaten kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere koelsystemen in micro-elektronica op aarde en in de ruimte, ' zei Plawsky.

Een bekende technologie in een onbekende omgeving

Een heatpipe is gedeeltelijk gevuld met een werkvloeistof, zoals water, en vervolgens verzegeld. Bij de warmtebron of verdamper, de vloeistof absorbeert warmte en verdampt. De damp reist langs de warmtepijp naar de condensor, maakt opnieuw vloeibaar en geeft zijn latente warmte af, uiteindelijk terugkeren naar de verdamper, zonder bewegende delen.

In het CVB-experiment Plawsky's team heeft een miniatuur heatpipe gemaakt, met behulp van pentaan (een organische vloeistof) in een glazen cuvet met vierkante hoeken. Een elektrische weerstandsverwarmer werd aan het verdamperuiteinde bevestigd. Aan het andere einde, een set thermo-elektrische koelers hield de condensortemperatuur vast. Door de transparante buis konden de onderzoekers de vloeistofdynamica in detail bestuderen, en de scherpe hoeken van de cuvette vervingen het werk van de pit.

Twee hoofdkrachten beïnvloeden hoe een warmtepijp presteert:capillaire en Marangoni-krachten. De capillaire kracht drijft de vloeistof terug naar de verdamper. Dit is dezelfde kracht die ervoor zorgt dat vloeistof in een rietje omhoog klimt. De Marangoni-kracht komt voort uit een verandering in de oppervlaktespanning van de vloeistof met de temperatuur. Deze kracht werkt de capillaire kracht tegen en drijft vloeistof van de verdamper naar de condensor.

Een evenwichtsoefening

Wanneer de hoeveelheid vloeistof die verdampt groter is dan wat door de capillaire kracht kan worden teruggepompt, het verdamperuiteinde van de warmtepijp begint uit te drogen. Deze "capillaire limiet" is de meest voorkomende prestatiebeperking van een heatpipe.

De onderzoekers verwachtten hetzelfde in het CVB-experiment. Maar, in plaats daarvan, de verdamper overstroomde met de vloeistof. Dat komt omdat de Marangoni en de capillaire krachten niet langer tegen de zwaartekracht vochten. Als resultaat, de Marangoni-kracht overmeesterde de capillaire kracht, condensatie aan de verdamperzijde veroorzaken. Echter, het netto-effect was hetzelfde alsof de heatpipe was opgedroogd.

"Terwijl het overstroomde gebied groeide, de pijp deed het slechter met het verdampen van vloeistof, net zoals zou gebeuren als de kachel uitdroogt, ' zei Plawsky.

De onderzoekers hebben dit probleem in de volgende fase van het CVB-project tegengegaan door een kleine hoeveelheid isohexaan aan het pentaan toe te voegen. Isohexaan kookt bij een hogere temperatuur en heeft een hogere oppervlaktespanning. Deze verandering in oppervlaktespanning heft de temperatuurgedreven Marangoni-kracht op, het herstellen van de prestaties van de warmtepijp.

"De School of Engineering van Rensselaer en NASA hebben een langdurige en productieve samenwerking gehad aan een aantal belangrijke onderzoeksprojecten, " zei decaan van Engineering Shekhar Garde. "Dr. Plawsky's heatpipe-onderzoek is een goed voorbeeld van ons werk met NASA om fundamenteel begrip van vloeistoffen te helpen vertalen naar echte toepassingen hier op aarde en in de ruimte."