Les caloducs sont des dispositifs qui empêchent les équipements critiques de surchauffer. Ils transfèrent la chaleur d'un point à un autre par un processus d'évaporation-condensation et sont utilisés dans tout, des téléphones portables et ordinateurs portables aux climatiseurs et engins spatiaux.

Normalement, Les caloducs contiennent des mèches métalliques poreuses qui renvoient le liquide à l'extrémité chauffée du tuyau où il s'évapore. Mais les ingénieurs travaillent à développer des caloducs sans mèche plus légers et plus fiables. Des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont lancé le projet Constrained Vapor Bubble (CVB) pour étudier ces caloducs sans mèche à utiliser dans des environnements à gravité proche de zéro pour les applications aérospatiales.

« Les structures de mèche peuvent être difficiles à garder propres ou intactes sur de longues périodes. Le problème est particulièrement aigu pour les applications, comme la mission Journey to Mars de la NASA, qui mettent l'accent sur la fiabilité et la maintenance minimale, " a déclaré le professeur Joel Plawsky, qui dirige le département Isermann de génie chimique et biologique à Rensselaer.

En collaboration avec une équipe d'ingénieurs de la NASA, les chercheurs mènent des expériences CVB à la Station spatiale internationale. Plawsky et le chercheur postdoctoral Thao Nguyen ont récemment écrit un article sur le projet CVB en La physique aujourd'hui , publié par l'Institut américain de physique.

« Le projet CVB est conçu pour enregistrer, pour la première fois, la distribution complète de vapeur et de liquide dans un caloduc fonctionnant en microgravité. Les résultats pourraient conduire au développement de systèmes de refroidissement plus efficaces en microélectronique sur Terre et dans l'espace, " a déclaré Plawsky.

Une technologie familière dans un environnement inconnu

Un caloduc est partiellement rempli d'un fluide de travail, comme l'eau, puis scellé. A la source de chaleur, ou évaporateur, le liquide absorbe la chaleur et se vaporise. La vapeur se déplace le long du caloduc jusqu'au condenseur, re-liquide et libère sa chaleur latente, retournant éventuellement à l'évaporateur, sans aucune pièce mobile.

Dans l'expérience CVB, L'équipe de Plawsky a créé un caloduc miniature, en utilisant du pentane (un liquide organique) dans une cuvette en verre à coins carrés. Une résistance électrique chauffante était fixée à l'extrémité de l'évaporateur. À l'autre extrémité, un ensemble de refroidisseurs thermoélectriques maintenait la température du condenseur fixe. Le tube transparent a permis aux chercheurs d'étudier en détail la dynamique des fluides, et les angles vifs de la cuvette remplaçaient le travail de la mèche.

Deux forces principales affectent le fonctionnement d'un caloduc :les forces capillaires et de Marangoni. La force capillaire est ce qui repousse le liquide vers l'évaporateur. C'est la même force qui fait monter le liquide sur une paille. La force de Marangoni résulte d'un changement de la tension superficielle du fluide avec la température. Cette force s'oppose à la force capillaire et entraîne le liquide de l'évaporateur vers le condenseur.

Un numéro d'équilibriste

Lorsque la quantité de liquide s'évaporant est supérieure à ce qui peut être refoulé par la force capillaire, l'extrémité évaporateur du caloduc commence à se dessécher. Cette "limite capillaire" est la limitation de performance la plus courante d'un caloduc.

Les chercheurs s'attendaient à ce que la même chose se produise dans l'expérience CVB. Mais, au lieu, l'évaporateur a été inondé de liquide. C'est parce que les forces Marangoni et capillaires ne luttaient plus contre la gravité. Par conséquent, la force Marangoni a maîtrisé la force capillaire, provoquant de la condensation à l'extrémité de l'évaporateur. Cependant, l'effet net était le même que si le caloduc s'était asséché.

« Au fur et à mesure que la région inondée grandissait, le tuyau a fait un moins bon travail d'évaporation de liquide, comme cela arriverait si le radiateur se desséchait, " a déclaré Plawsky.

Les chercheurs ont contrecarré ce problème dans la prochaine étape du projet CVB en ajoutant une petite quantité d'isohexane au pentane. L'isohexane bout à une température plus élevée et a une tension superficielle plus élevée. Ce changement de tension superficielle annule la force de Marangoni induite par la température, restaurer les performances du caloduc.

"La School of Engineering de Rensselaer et la NASA ont eu des collaborations de longue date et productives sur un certain nombre de projets de recherche importants, " a déclaré le doyen de l'ingénierie Shekhar Garde. "Dr. La recherche de Plawsky sur les caloducs est un excellent exemple de notre travail avec la NASA pour aider à traduire la compréhension fondamentale des liquides en applications réelles ici sur Terre et dans l'espace. »