Slika 5: Izjednačavanje temperature stijenke satelita.
Osunčani dio je između -90 i +90 stupnjeva. Podaci uzeti iz [6].

Svaka je toplovodna cijev bila oblikovana prema zidovima satelita u kružnicu promjera oko 120 cm. Postignuta je izjednačena i stalna temperatura cijele unutarnje stijenke satelita (plava krivulja) od oko 20^oC. Rad tog sistema pažljivo se pratio i analizirao gotovo godnu dana i utvrđeno je da stalno i besprijekorno izjednačuje temperaturu stijenke satelita. Usavršenije verzije ovog sistema upotrebljavale su se i još se upotrebljavaju u programu Apollo i Space Shuttle.

Slijedeći primjeri upotrebe toplovodne cijevi su hlađenje elektoničkih komponenata [6, 8]. Na primjer, vrlo kompaktna konstrukcija laptop računala uzrokuje prilične teškoće kod odvođenja topline koju razvijaju elektroničke komponente stisnute u skučenom kućištu računala [8]. Na povišenu temperaturu posebno je osjetljiv Pentium mikroprocesor . U standardnim PC izvedbama (desktop, minitower, ...) on se najčešće hladi malim ventilatorom montiranim direktno na procesoru jer prostor i napajanje strujom nisu problem. Međutim, takvo rješenje je neprihvatljivo u slučaju laptop računala gdje su raspoloživi prostor i napajanje vrlo ograničeni. Tu je efikasno hlađenje svake elektroničke komponente, a posebno mikroprocesora, vrlo osjetljiv problem. Kako održati njegovu temperaturu ispod 90^oC uz temperaturu okoline oko 40^oC, s minimalnim ili nikakvim utroškom električne energije za hlađenje? Tehničko rješenje hlađenja mora imati najmanji mogući broj mehaničkih i električkih dijelova i zauzimati najmanji mogući prostor. Čini se da je ovakve suprotstavljene zahtjeve bilo nemoguće pomiriti, međutim rješenje se ipak našlo: toplovodna cijev (slike 6a i 6b ). Isparivač toplovodne cijevi (to su ona dva dijela četvrtastog oblika) postavlja se u dobar kontakt s

Slika 6a: Hladilo mikroprocesora bazirano na uporabi toplovodne cijevi (porijeklo: web stranica http://www.kryotech.com/text/heatpipe.htm)

Slika 6b: Hladilo mikroprocesora bazirano na uporabi toplovodne cijevi (porijeklo: web stranica http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/sep96_02.htm)

mikroprocesorom - izvorom topline, a kondenzer se postavlja u dobar toplinski kontakt s metalnim kućištem računala koje ima dobro hlađenje okolnim zrakom, a inače služi i kao kavez protiv vanjskih elektromagnetskih interferencija. Zanimljivo je da i neka računala koja služe kao radne stanice, pa i neka mainframe računala također rabe tehnologiju toplovodnih cijevi za hlađenje procesora i drugih elektronskih dijelova koji razvijaju pono nepoželjne topline [8]. Različiti elektronski elementi - tiristori, SCR (silicon controlled rectifier) , IGBT (insulated gate bipolar transistor), te (na primjer) dijelovi odašiljača koji služe za radio vezu satelita i zemaljskih centara za kontrolu leta kao popratni neželjeni efekt u toku rada razvijaju velike količine topline. U principu,

Slika 7: Sklop za hlađenje IGBTa baziran na uporabi toplovodne cijevi (porijeklo: web stranica http://www.electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/SEP96/sep96_02.htm)

mogu se hladiti ili snažnom strujom nekog fluida ili rebrastim radijatorima. Oba rješenja zahtjevaju glomazne i teške dodatne strukture koje su moguće u standardnim uvjetima, ali su neostvarive na satelitima. Upotreba toplovodne cijevi odgovarajućeg oblika i od prikladnog (elektro-izolacijskog) materijala potpuno rješava i taj problem. Isparivač toplovodne cijevi postavlja se u dobar kontakt s elektronskom konponentom - izvorom topline, a na kondenzor se postavlja radijator s krilcima da bi se postiglo efikasnije hlađenje okolnom atmosferom ili zračenje s tako velike površine u okolni prostor.

Tehnologija toplovodne cijevi važni je sastavni dio novog tipa pogona koji se razvija za buduće međuplanetne letjelice. Uređaj koji se ispituje u Jet Propulsion Laboratory - "Lithium-Fed Lorentz Force Accelerator" (LFA, [9]) ima kao najvažniji dio sistem od posebno oblikovanih toplovodnih cijevi otvorenog tipa s tekućim litijem kao radnim medijem. Zatvoreni kraj toplovodne cijevi je isparivački

 Slika 8: Skica toplovodne cijevi otvorenog tipa
koja se koristi u LiLFA pogonu

dio i rezervoar litija. Zagrijavanjem cijevi na 1500K litij isparava iz kapilarne strukture i litijeva para struji prema otvorenom kraju cijevi. Taj dio toplovodne peći ujedno predstavlja katodu LFA sistema gdje se litijeva para ionizira. Ionizirana litijeva para struji u glavni dio potisnog pogona, tzv. "plasma thruster" (magneto-plasma-dynamic thruster), koji ima dugačak radni vijek (>1000 h) i visoku efikasnost u radu (> 60%). Od svih sistema koji se ispituju za ovakav tip pogona čini se da litijev LFA ima najveći potisak, 10² - 10⁵ N/m² i najveći je kandidat za potisne sisteme budućnosti ("advanced propulsion option") za buduće međuplanetene letjelice.

Slijedeći je primjer iz našeg spektroskopskog laboratorija. Varijanta toplovodne cijevi pod nazivom toplovodna peć široko se primjenjuje u atomskoj fizici i spektroskopiji. Pri istraživanju elementarnih atomskih procesa u parama i plazmi nekih metala javljaju se veliki tehnološki problemi zbog njihove velike korozivnosti. Takve su npr. pare alkalijskih metala. Pri nižim temperaturama i koncentracijama te se pare mogu proučavati u staklenim ili kvarcnim kivetama, ali na povišenim temperaturama javljaju se nepremostivi problemi. Toplovodna cijev elegantan je izlaz iz teškoća. Modificirana je tako da je zona isparivanja u centralnom dijelu cijevi oko koje je grijač, sa strane su zone ukapljivanja koje su stupcem plemenitog plina odijeljene od prozora [10]. Stakleni prozori hermetički zatvaraju unutrašnjost cijevi.

Slika 9b: Laserom izazvana fluorescencija (žuto) pare litija u toplovodnoj peći.

Pare metala generiraju se u središtu cijevi, pa se u centralnom dijelu formira stabilan stupac pare. U području hlađenja pare se ukapljuju, a kroz kapilarnu strukturu (nekoliko namotaja mrežice od nerđajućeg čelika) vraćaju se u isparivačku zonu u središtu. Agresivne pare uopće ne dolaze u dodir sa staklenim prozorima - od njih ih dijeli sloj plemenitog plina. Toplovodna peć omogućava rad sa cijelim nizom vrlo korozivnh para metala, pri visokim temperaturama i velikim gustoćama pare.

Posljednji primjer primjene toplovodne cijevi je njihova upotreba u ulozi posebnih nosača naftovoda (za "Trans-Alyeska Pipeline Service Co."), i to na sekcijama cjevovoda preko površine vječno zaleđenog tla na Aljaski [6]. Konstruktori i graditelji naftovoda bili su suočeni s problemom kako osigurati vertikalnu stabilnost nosača cjevovoda ukopanih u djelomično ili potpuno zamrznuto tlo. Klasične metode krile su u sebi izvjesne opasnosti jer su nosači trebali biti ukopani u tlo do razine stalno zaleđenog sloja zemlje - tzv. "permafrosta". Najmanje dvije opasnosti mogle su se naslutiti - "tonjenje" i pomicanje nosača za vrijeme viših temperatura i otapanja leda ljeti, i lokalno tonjenje i topljenje zaleđenog tla i permafrosta zbog lokalnog zagrijavanja uzrokovanog svakodnevnim radom sustava. Problem se svodio na to da ukopani dijelovi bilo kakvih standardnih nosača nisu mogli biti u toplinskoj ravnoteži sa okolnim zaleđenim tlom, te su neminovno morali tonuti kroz zamrznuti sloj. To znači da bi i cijeli sistem nosača naftovoda s vremenom tonuo sve dublje, što bi konačno uzrokovalo pucanje naftovoda i ekološku katastrofu. Primjena posebno oblikovane toplovodne cijevi riješila je i tu golemu konstrukcijsku teškoću. Toplovodna cijev, promjera 5 cm "namotana" u spiralu duljine 9 do 18 m ("cryo-anchor"), obuhvaća dio nosača ukopan do razine vječno zaleđenog tla. Taj dio

Slika 10: Stabilizacija nosača naftovoda u zaleđenom tlu korištenjem toplovodne cijevi. Precrtano prema opisu iz [6].

predstavlja "vrući" kraj toplovodne cijevi. Radijator topline (ujedno i kondenzor za radnu tekućinu) je dio iznad površine tla. Radna tekućina, u ovom slučaju, bio je amonijak. Tako ugrađena i oblikovana toplovodna cijev djelovala je kao izmjenjivač topline, održavajući temperaturu ukopanog dijela nosača uvijek na temperaturi njegove okoline. Ovo rješenje nosača naftovoda značilo je i maksimalnu mehaničku sigurnost naftovoda, ali i goleme uštede materijala i sredstava u usporedbi s klasičnim načinom gradnje. U transaljaski naftovod ugrađeno više od 100 000 (!) takvih toplovodnih cijevi (proizvođač "McDonnell Douglas Corp.").

Uvod | Malo povijesti | Nešto fizike | Puno primjena

Literatura | Zanimljivi linkovi