Kiertämättömät lämpöputket: Uudet dynamiikat ovat alttiina lähes painottomalle ympäristölle

Anonim

Lämpöputket ovat laitteita, joilla kriittiset laitteet jäävät ylikuumenemiselta. Ne siirtävät lämpöä pisteestä toiseen höyrystys-kondensaatioprosessin avulla ja niitä käytetään kaikessa matkapuhelimista ja kannettavista tietokoneista ilmastointilaitteisiin ja avaruusaluksiin.

Normaalisti lämpöputket sisältävät huokoisia metallipitoisuuksia, jotka palauttavat nestettä putken lämmitettyyn päähän, jossa se haihtuu. Mutta insinöörit pyrkivät kehittämään heikompia ja luotettavampia heikompia lämpöputkia. Rensselaer-ammattikorkeakoulun tutkijat aloittivat rajoitetun höyrykuplan (CVB) -projektin tutkimalla näitä turmeltumattomia lämpöputkia käytettäviksi lähes olemattomissa painovoimaympäristöissä ilmailuteollisuuden sovelluksissa.

"Wick-rakenteita voi olla vaikea pitää puhtaina tai koskemattomina pitkiä aikoja. Ongelma on erityisen akuutti sovellusten, kuten NASAn Journey to Mars -messuille, jotka antavat palkkion luotettavuudesta ja vähäisestä kunnossapidosta", professori Joel Plawsky johtaa Isermannin kemian ja biotekniikan laitosta Rensselaerissa.

NASAn suunnittelutiimin kanssa työskentelevät tutkijat suorittavat CVB-kokeita kansainvälisellä avaruusasemalla. Plawsky ja tutkijatohtori Thao Nguyen äskettäin kirjoittivat artikkelin Fysiikan nykyisestä CVB-projektista, jonka julkaisi American Physics Institute.

"CVB-projekti on suunniteltu ensimmäistä kertaa höyryn ja nesteen täydelliseen jakeluun mikrosuhteessa toimivassa lämpöputkessa, mikä saattaa johtaa tehokkaampien jäähdytysjärjestelmien kehittämiseen mikroelektroniikassa maapallolla ja avaruudessa" Plawsky sanoi.

Tuntematon tekniikka tuntemattomassa ympäristössä

Lämpöputki on osittain täytetty työfluidilla, kuten vedellä, ja suljetaan sitten. Lämmönlähteellä tai höyrystimellä neste absorboi lämpöä ja höyrystyy. Höyry kulkee pitkin lämpöputkea lauhduttimeen, nesteytetään uudelleen ja vapautuu latentti lämpö ja palaa lopulta höyrystimeen ilman liikkuvia osia.

CVB-kokeessa Plawskin joukkue loi miniatyyppisen lämpöputken käyttäen pentaania (orgaaninen neste) lasi-kyvetissä, jossa on neliöreunoja. Sähkösuojalämmitin kiinnitettiin haihduttimen päähän. Toisessa päässä lämpösähköjäähdyttimet pitivät lauhduttimen lämpötilan kiinteäksi. Läpinäkyvä putki antoi tutkijoille mahdollisuuden tutkia fluididynamiikkaa yksityiskohtaisesti, ja kyvetin terävät kulmat korvaavat tykön työn.

Kaksi päävoimaa vaikuttaa siihen, miten lämpöputki toimii: kapillaari- ja Marangoni-voimat. Kapillaarivoima on se, mikä ajaa nestettä takaisin haihduttimeen. Tämä on sama voima, joka saa nestettä nousemaan olkiin. Marangonin voima syntyy nesteen pintajännityksen muutoksesta lämpötilalla. Tämä voima vastustaa kapillaarivoimaa ja ajaa nestettä haihduttimesta lauhduttimeen.

Balancing Act

Kun nesteen haihtuminen on suurempi kuin kapillaarivoimalla pumpattava takaisin, lämpöputken haihduttimen pää alkaa kuivua. Tämä "kapillaarirata" on lämpöputken yleisimpiä suorituskykyrajoituksia.

Tutkijat odottivat saman tapahtuman CVB-kokeilussa. Mutta sen sijaan höyrystin tulvii nesteen kanssa. Tämä johtuu siitä, että Marangoni ja kapillaarivoimat eivät enää taistelleet painovoimasta. Tämän seurauksena Marangoni-voima ylitti kapillaarivoiman, mikä aiheutti kondensaation haihduttimen päähän. Kuitenkin nettovaikutus oli sama kuin jos lämpöputki oli kuivunut.

"Kun tulva-alue kasvoi, putki teki köyhempiä höyrystysnestettä, aivan kuten sattuu, jos lämmitin kuivui", Plawsky sanoi.

Tutkijat ovat vastustaneet tätä ongelmaa CVB-hankkeen seuraavassa vaiheessa lisäämällä pentaaniin pieni määrä isoheksaania. Isoheksaani kiehuu korkeammassa lämpötilassa ja sillä on suurempi pintajännitys. Tämä muutos pintajännityksessä mitätöi lämpötilavälitteisen Marangoni-voiman, joka palauttaa lämpöputken suorituskyvyn.

"Rensselaerissa ja NASA: n teknillisessä korkeakoulussa on ollut pitkäaikaisia ​​ja tuottavia yhteistyökumppaneita useilla tärkeillä tutkimushankkeilla", sanoo Dean of Engineering Shekhar Garde. "Dr. Plawskin lämpöputketutkimus on erinomainen esimerkki NASA: n kanssa tekemästämme työstä, joka auttaa kääntämään nestemäisten perusnäkökohtien osaksi todellisia sovelluksia täällä maan päällä ja avaruudessa."

menu
menu