热管是防止关键设备过热的装置。它们通过蒸发-冷凝过程将热量从一点转移到另一点，从手机、笔记本电脑到空调和宇宙飞船，它们都被广泛使用。
通常，热管包含多孔金属芯，将液体返回到管道的受热端，在那里液体蒸发。但工程师们正在努力开发更轻、更可靠的无芯热管。伦斯勒理工学院的研究人员发起了受限蒸汽泡(CVB)项目，研究这些在接近零重力环境下用于航空航天应用的无极热管。
“在很长一段时间内，灯芯结构很难保持清洁或完整。这个问题在诸如NASA的火星之旅任务这样的应用中尤为严重，因为这些应用非常重视可靠性和最低限度的维护，”伦斯勒大学化学和生物工程系伊赛尔曼系主任Joel Plawsky教授说。
研究人员与美国宇航局的工程团队合作，在国际空间站进行CVB实验。Plawsky和博士后研究员Thao Nguyen最近写了一篇关于CVB项目的文章今天的物理，由美国物理学会出版。
“CVB项目的目的是第一次记录蒸汽和液体在大气中的完整分布热管在微重力环境下的骨质流失。这一结果可能导致在地球和太空中发展更有效的微电子冷却系统。”
陌生环境中的熟悉技术
热管部分充满工作流体，如水，然后密封。在热源或蒸发器处，液体吸收热量并蒸发。蒸汽沿着热管到达冷凝器，重新液化并释放潜热，最终返回蒸发器，没有任何移动部件。
在CVB实验中，Plawsky的团队在一个方形的玻璃试管中使用了戊烷(一种有机液体)，创造了一个微型热管。在蒸发器端附加了一个电阻加热器。在另一端，一组热电冷却器保持冷凝器温度固定。透明的试管让研究人员可以详细地研究流体动力学，试管的尖角代替了灯芯的工作。
影响热管性能的主要有两种力:毛细力和马兰戈尼力。的毛细力使液体回到蒸发器。这是一样的力这会导致液体顺着吸管往上爬。马兰戈尼力是由流体表面张力随温度的变化而产生的。这种力与毛细力相反，将液体从蒸发器驱至冷凝器。
一个平衡
当蒸发的液体量大于毛细力所能泵回的液体量时，热管的蒸发器端开始变干。这种“毛细管极限”是热管最常见的性能极限。
研究人员预计在CVB实验中也会发生同样的情况。但相反，蒸发器充满了液体。这是因为马兰戈尼力和毛细管力不再对抗重力。结果，马兰戈尼力超过毛细力，导致蒸发器端冷凝。然而，净效应与热管干涸的效果是一样的。
Plawsky说:“随着洪水地区的扩大，管道在蒸发液体方面做得越来越差，就像加热器变干一样。”
研究人员在CVB项目的下一阶段通过在戊烷中加入少量的异己烷来解决这个问题。异己烷沸腾的温度更高，表面张力也更高。这种变化在表面张力抵消了温度驱动的马兰戈尼力，恢复了热管的性能。
伦斯勒工程学院院长Shekhar Garde说:“伦斯勒工程学院和NASA在许多重要的研究项目上有着长期和富有成效的合作。“Plawsky博士的热- - - - - -管这项研究是我们与NASA合作的一个很好的例子，有助于将对液体的基本理解转化为地球和太空中的现实应用。”
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