Värmerör är anordningar för att förhindra att kritisk utrustning överhettas. De överför värme från en punkt till en annan genom en avdunstning-kondensationsprocess och används i allt från mobiltelefoner och bärbara datorer till luftkonditioneringsapparater och rymdfarkoster.

I vanliga fall, värmerör innehåller porösa metallvekar som återför vätska till den uppvärmda änden av röret där den avdunstar. Men ingenjörer arbetar med att utveckla wickless värmerör som är lättare och mer pålitliga. Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute initierade projektet Constrained Vapor Bubble (CVB) för att studera dessa wickless värmerör för användning i miljöer med nästan noll gravitation för flygtillämpningar.

"Vekstrukturer kan vara svåra att hålla rena eller intakta under långa tidsperioder. Problemet är särskilt akut för applikationer, som NASA:s Journey to Mars-uppdrag, som sätter en premie på tillförlitlighet och minimalt underhåll, sa professor Joel Plawsky, som leder Isermanns avdelning för kemi- och biologisk teknik vid Rensselaer.

Arbetar med ett ingenjörsteam från NASA, forskarna genomför CVB-experiment vid den internationella rymdstationen. Plawsky och postdoktor Thao Nguyen skrev nyligen en artikel om CVB-projektet i Fysik idag , publicerad av American Institute of Physics.

"CVB-projektet är utformat för att spela in, för första gången, den fullständiga distributionen av ånga och vätska i ett värmerör som arbetar i mikrogravitation. Resultaten kan leda till utvecklingen av effektivare kylsystem inom mikroelektronik på jorden och i rymden, " sa Plawsky.

En bekant teknik i en obekant miljö

Ett värmerör är delvis fyllt med en arbetsvätska, som vatten, och sedan förseglad. Vid värmekällan, eller förångare, vätskan absorberar värme och förångas. Ångan färdas längs värmeröret till kondensorn, återflyter och frigör sin latenta värme, så småningom återvänder till förångaren, utan några rörliga delar.

I CVB-experimentet, Plawskys team skapade ett värmerör i miniatyr, med pentan (en organisk vätska) i en glaskyvett med fyrkantiga hörn. En elektrisk motståndsvärmare var fäst vid förångaränden. På andra änden, en uppsättning termoelektriska kylare höll kondensorns temperatur fast. Det genomskinliga röret gjorde det möjligt för forskarna att studera vätskedynamiken i detalj, och kyvettens skarpa hörn ersatte vekens jobb.

Två huvudkrafter påverkar hur ett värmerör presterar:kapillärkrafter och Marangonikrafter. Kapillärkraften är det som driver vätskan tillbaka mot förångaren. Detta är samma kraft som får vätska att klättra uppför ett sugrör. Marangonikraften uppstår från en förändring i vätskans ytspänning med temperaturen. Denna kraft motverkar kapillärkraften och driver vätska från förångaren till kondensorn.

En balansakt

När mängden vätska som avdunstar är större än vad som kan pumpas tillbaka av kapillärkraften, förångaränden på värmeröret börjar torka ut. Denna "kapillärgräns" är den vanligaste prestandabegränsningen för ett värmerör.

Forskarna förväntade sig att samma sak skulle hända i CVB-experimentet. Men, istället, förångaren svämmade över med vätskan. Det beror på att Marangoni- och kapillärstyrkorna inte längre kämpade mot gravitationen. Som ett resultat, Marangonistyrkan övermannade kapillärstyrkan, orsakar kondens vid förångarens ände. Dock, nettoeffekten var densamma som om värmeröret hade torkat.

"I takt med att den översvämmade regionen växte, röret gjorde ett sämre jobb med att avdunsta vätska, precis som skulle hända om värmaren torkade ut, " sa Plawsky.

Forskarna har motverkat detta problem i nästa steg av CVB-projektet genom att tillsätta en liten mängd isohexan till pentanen. Isohexan kokar vid högre temperatur och har högre ytspänning. Denna förändring i ytspänning tar bort den temperaturdrivna Marangoni-kraften, återställa värmerörets prestanda.

"Ingenjörshögskolan vid Rensselaer och NASA har haft långvariga och produktiva samarbeten i ett antal viktiga forskningsprojekt, " sa dekanus för ingenjörsvetenskap Shekhar Garde. "Dr. Plawskys heat-pipe-forskning är ett bra exempel på vårt arbete med NASA för att hjälpa till att översätta grundläggande förståelse för vätskor till verkliga tillämpningar här på jorden och i rymden."