При дальнейшем увеличении нагрузки мениски в конденсаторе становятся близкими к плоским (R_ꮥ), второй член в уравнении (3) обращается в ноль, а капиллярный напор становится равным

   (4)

Практически в тепловой трубе всегда есть некоторый избыток жидкости, который в вертикально работающей трубе находится в конденсаторе. Поэтому поверхность жидкости в конденсаторе можно считать близкой к плоской, а повышение разности капиллярных давлений DP происходит только за счёт увеличения кривизны менисков в испарителе. Дальнейшее увеличение DP при данном радиусе пор r_пи возможно только путём улучшения смачивания фитиля. При полном смачивании

   (5)

При увеличении тепловой нагрузки на тепловую трубу температура повышается, величина s, а следовательно и DPmax уменьшаются, а потери по пару и жидкости DP при этом возрастают и стремятся к своему максимальному значению DPmax. Когда DP=DPmax дальнейшее увеличение нагрузки становится невозможным.

Улучшение работы классической тепловой трубы путём уменьшения радиуса пор малоэффективно, так как уменьшение радиуса пор при тех же размерах фитиля приводит к одновременному увеличению DP и уменьшению DPmax.

Значительное увеличение длины классической тепловой трубы даже при работе в горизонтальном положении наталкивается на определённые трудности, связанные с одной стороны с увеличением потерь, как по пару, так и по жидкости, что снижает предельную мощность, а с другой - с изготовлением и монтажом длинных фитилей, особенно в том случае, если тепловая труба имеет изгибы корпуса.

Особые трудности в трубах первого поколения возникают когда передача тепла должна производиться по направлению поля тяжести, то есть когда испаритель находится «вверху» или при других ускорениях, направленных против движения жидкости.

В этом случае классические трубы даже малой длины малоэффективны - у них сильно снижаются плотности как осевых, так и радиальных потоков тепла. Основная причина состоит в том, что при такой ориентации тепловых труб неизбежно добавляются гидростатические потери давления в виде DPg=r_ж·g·h (6), где r_ж - плотность жидкости, h - «высота» тепловой трубы, g - ускорение силы тяжести. Эти потери не зависят от поперечного сечения фитиля. Уменьшать эти потери не представляется возможным. При этом, как правило, гидростатические потери в паре r_п·g·h из-за малой его плотности, не учитываются.

Для подъёма жидкости на высоту h приходится применять более мелкие поры. В этом случае гидравлические сопротивления трения (DPж) значительно возрастает и не только из-за уменьшения диаметров капиллярных каналов, но и ещё и за счёт увеличения длины фитиля. Дальнейшее уменьшение диаметров капиллярных каналов при тех же размерах (длине) фитиля практически не приводит к увеличению мощности тепловой трубы. Причина заключается в том, что увеличение напора DPmax при уменьшении этих диаметров происходит значительно медленнее, чем увеличение гидравлического сопротивления фитиля DPж - разность капиллярных давлений обратно пропорциональна диаметрам пор, а гидравлическое сопротивление трения при ламинарном течении жидкости по фитилю обратно пропорционально более чем второй степени этих диаметров.

Но тем не менее увеличение длины тепловых труб, передающих теплоту по направлению поля тяжести, всё же возможно. Но для этого должна быть изменена их конструкция. Поскольку гидростатические потери давления уменьшать нельзя, то конструкция тепловой трубы должна быть такой, при которой увеличение длины тепловой трубы, передающей теплоту по направлению поля тяжести при той же её мощности или увеличение мощности при той же длине тепловой трубы, осуществлялось за счёт увеличения разности максимального капиллярного напора DPmax и гидравлических потерь в жидкости DPж, то есть путём увеличения величины DPmax - DPж. Это может быть достигнуто при одновременном увеличении как разности капиллярных давлений DPmax, так и при уменьшении DPж. Увеличение DPmax на той же рабочей жидкости возможно только путём уменьшения диаметров капиллярных каналов, а уменьшение потерь на трение DPж (при таком же уменьшении диаметров этих каналов и при том же поперечном сечении фитиля) возможно только при значительном уменьшении длины фитиля. Очевидно последнее в тепловых трубах первого поколения без уменьшения их длины просто не возможно.

Таким образом, задача передачи тепла по направлению поля силы тяжести приводит к такой конструкции тепловой трубы, в которой мелкопористый фитиль, создающий необходимый и достаточно большой капиллярный напор, должен обладать малым гидравлическим сопротивлением по жидкости, то есть иметь небольшую длину (толщину), а следовательно находиться только в испарителе.

Конструкции таких тепловых труб были разработаны в 1971 году на кафедре молекулярной физики физико-технического факультета Уральского политехнического института им. С. М. Кирова (ныне Уральского государственного технического университета) а городе Свердловск (ныне Екатеринбург).

Рис.3 Тепловая труба с раздельными каналами для пара и жидкости

Это тепловые трубы с раздельными каналами для пара и жидкости. Один из вариантов такой конструкции представлен на Рис. 3. Тепловая труба состоит из герметичного корпуса, содержащего испаритель 1, к которому присоединяется источник тепла, конденсатор 2, который подключается к приёмнику тепла. Испаритель и конденсатор соединены между собой паропроводом 3 и конденсатопроводом 4. Обычно паровой канал 3 и жидкостный канал 4 - это пустотелые трубки небольшого диаметра. Мелкопористый фитиль 5 имеется только в испарителе. Он плотно посажен в корпус последнего. Откачка воздуа и заполнение трубы теплоносителем осуществляется через штуцер 6.

Рис.3а Поперечное сечение испарителя

Фитиль имеет пароотводные микроканалы 7, расположенные радиально и паросборные каналы 8, расположенные вдоль испарителя. Продольные паросборные каналы могут быть выполнены в виде пазов 9 между рёбер на внешней поверхности фитиля. Для приёма жидкости во время работы имеется компенсационная полость 10. Количество рабочей жидкости, заправляемой в трубу таково, что при пропитанном фитиле она при вертикальном положении трубы находится на уровне А-А. Это исключает вероятность отрыва жидкости от фитиля.

При подводе тепла к испарителю давлением пара паровой канал и конденсатор освобождаются от жидкости, которая поступает в компенсаторную полость. Объём компенсаторной полости и прилегающих к ней деталей таков, что она может полностью принимать эту жидкость.

Было разработано и испытано на различных жидкостях более десяти конструктивных вариантов таких тепловых труб. При этом изменялась длина тепловых труб, размеры испарителя, размеры и форма конденсаторов. Иногда их внешняя сторона делалась оребрённой. В ряде конструкций компенсационная полость размещалась в «нижней» части испарителя, стенки этой полости и конденсатора иногда покрывались крупнопористым материалом, в ряде случаев к основному мелкопористому фитилю присоединялся небольшой крупнопористый фитиль. последнее позволяло несколько уменьшить объём заправляемой жидкости.

Но в основном эти изменения касались испарителя: изменялось количество и размеры как микроканалов, так и каналов для сбора пара, а так же толщина запорной стенки фитилей. Изменялась пористость и структура самой массы фитилей, а следовательно их проницаемость. При этом полная длина тепловых труб составляла 60-150 см, диаметр парового канала был 5-6 мм, а жидкостного около 3 мм. Диаметр испарителей изменился от 15 до 30 мм, а их длина от 60 до 120 мм. В зависимости от длины тепловых труб, теплоносителя и передаваемой мощности разность температур между испарителем и конденсатором колебалась от нескольких десятков до нескольких градусов. Опыт показал, что длина таких тепловых труб при работе в горизонтальном положении может составлять несколько метров.

Фитили изготовлялись из карбонильных порошков никеля путём прессования в цилиндрических прессформах при давлениях 800-900 кг/см². Используемые порошки имели 80% частиц размером от 1 до 20 мкм. Карбонильные порошки имеют форму частиц близкую к овальной в отличии от никелевых электролитических порошков, у которых форма частиц папоротниковообразная и которые после прессования дают более высокую закрытую объёмную пористость, а следовательно более высокое гидравлическое сопротивление.

В шихту карбонильных порошков в качестве наполнителя добавлялась мочевина CO(NH₂)₂ в количестве от 10% до 40% со средним размером частиц около 30 мкм. Температура плавления мочевины около 133°С. Применение мочевины позволяло изменять открытую пористость фитилей в широких пределах: от 40% до 75%. К тому же мочевина является хорошей смазкой, уменьшающей трение между стенкой прессформы и деталью. Это облегчает как само прессование, так и извлечение этой детали из прессформы.

Спекание фитилей производилось в кварцевой капсуле, которая подключалась к насосу через фильтр. В течении 4-5 часов температура медленно поднималась до 800-900°С. Во время спекания мочевина испаряется и до температуры 500°С среда в капсуле является восстановительной. Эту среду создают такие продукты разложения мочевины как водород и окись углерода. Поэтому в значительной степени спекание порошка происходит по чистому металлу.

Спечённые заготовки фитилей являются достаточно прочными - они обтачиваются на токарном станке и в них выполняются необходимые отверстия. После охлаждения в жидком азоте изготовленные фитили плотно вставляются в корпус испарителя.

В таких конструкциях тепловых труб не только увеличивается длина теплопереноса, и уменьшается длина фитилей, но благодаря наличию компенсационной полости и тонкой запорной стенки, отделяющей пар от жидкости, последовательное питание фитилей жидкостью заменяется на питание близкое к параллельному.

Кроме этого из-за малых размеров фитилей упрощается технология их изготовления и монтаж в корпус тепловой трубы.

Наличие раздельных каналов позволяет исключить тормозящее действие пара на встречный поток жидкости и нежелательный её обогрев паром. Последнее уменьшает величину бесполезного обогрева жидкости, который и без того образуется из-за потерь давления в ней.

Наличие разделительных каналов позволяет в случае необходимости охлаждать жидкость после её конденсации, регулировать мощность тепловой трубы с помощью вентиля, который можно устанавливать на паровом канале.

Такая конструкция также позволяет придавать испарителю и конденсатору желаемую форму, обеспечивает возможность изгибания тепловой трубы при её изготовлении, монтаже и эксплуатации, позволяет ослаблять передачу вибрации от одного её конца к другому, если какую-то часть этих каналов выполнять в виде змеевиков.

Раздельные каналы могут быть выполнены из диэлектрического материала, позволяющего электрически изолировать испаритель и конденсатор. Окончательное отключение тепловых труб (отпайка штуцера 6) от заправочного стенда производилась после её работы в течении нескольких часов. Все детали труб за исключением фитилей были выполнены из нержавеющей стали.