Η χειρουργική καταρράκτη διαμέσου μικρής τομής με τη χρήση αναδιπλούμενων ενδοφθάλμιων φακών είχε ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας νέας επιπλοκής˙ της θόλωσης των φακών. Αρκετοί παράγοντες έχουν ενοχοποιηθεί για την αιτιολόγηση του φαινομένου. Μεταξύ αυτών αναφέρονται η μετεγχειρητική φλεγμονή, η χρήση διαλυμάτων πλύσης και ιξωδοελαστικών υλικών, η σιλικόνη, τα λιπαρά οξέα που εμπεριέχονται στο υδατοειδές υγρό. Προηγούμενες αναφορές έχουν αποδώσει την αιτία του φαινομένου της θόλωσης των ενδοφακών στην ασβεστοποίηση. Για τη μελέτη του φαινομένου της ασβεστοποίησης έχουν κατά καιρούς χρησιμοποιηθεί in vivo μοντέλα. Στα μοντέλα αυτά γίνονται απλοποιήσεις ώστε να προσομοιώνονται όσο το δυνατόν καλύτερα οι φυσικοχημικές συνθήκες των βιολογικών ρευστών που είναι σε επαφή με τους αντίστοιχους ιστούς. Ακριβείς θερμοδυναμικές μετρήσεις και μελέτες της κινητικής στις συνθήκες αυτές είναι δυνατόν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες όσον αφορά στην εμφάνιση και εξέλιξη με το χρόνο του φαινομένου της ασβεστοποίησης διάφορων ιστών ή οργάνων. Στην παρούσα εργασία, και με στόχο να προσομoιωθούν οι συνθήκες του προσθίου θαλάμου κατά την επαφή του φακού με το υδατοειδές υγρό, κατασκευάσθηκε από πολυαμίδιο διπλότοιχος θερμοστατούμενος αντιδραστήρας συνολικού όγκου 10 ml. Ο πυθμένας και το άνω μέρος του αντιδραστήρα ήταν από γυαλί, έτσι ώστε το σύνολο να είναι δυνατόν να διευθετηθεί στο έδρανο οπτικού μικροσκοπίου διερχομένου φωτός, προκειμένου να είναι δυνατή η συνεχής παρατήρηση των δοκιμίων. Το συνθετικό υδατοειδές υγρό παρασκευάστηκε με τριπλά απεσταγμένο νερό στο οποίο διαλύθηκαν συγκεκριμένες ποσότητες κρυσταλλικών αλάτων έτσι ώστε η τελική σύσταση να αντιστοιχεί στη σύσταση του υδατοειδούς υγρού, σύμφωνα με την βιβλιογραφία. Η ροή του συνθετικού υδατοειδούς υγρού προς τον αντιδραστήρα γινόταν με τη βοήθεια αντλίας σύριγγας ρυθμιζόμενης παροχής. Ο ρυθμός ροής ήταν 0.2ml/h όπως και στην περίπτωση της ροής του υδατοειδούς υγρού στον πρόσθιο θάλαμο του φακού. Εντός του αντιδραστήρα τοποθετήθηκαν σε ειδικό δειγματοφορέα τρεις υδρόφιλοι ακρυλικοί ενδοφθάλμιοι φακοί (Α, Β και Γ) με περιεκτικότητα σε νερό 26% κ.β. Η μελέτη του συστήματος έγινε σε συνθήκες αντιπροσωπευτικές του oργανισμού, δηλαδή pH=7.4 και θερμοκρασία=37˚C. Η παρακολούθηση των φακών με τη βοήθεια του οπτικού μικροσκοπίου, το οποίο ήταν εφοδιασμένο με βιντεοκάμερα, γινόταν καθημερινά και λαμβάνονταν φωτογραφίες για περαιτέρω ανάλυση. Οι φακοί Α, Β και Γ απομακρύνθηκαν από τον αντιδραστήρα στους πέντε, εννιά και δώδεκα μήνες αντίστοιχα, με σκοπό να μελετηθεί τόσο η επιφάνειά τους όσο και το εσωτερικό του πολυμερικού υλικού. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των εναποθέσεων εξετάσθηκαν και μελετήθηκαν με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης ενώ η χημική σύσταση των κρυσταλλιτών ταυτοποιήθηκε με μικροανάλυση με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτίνων Χ (EDX). Περαιτέρω ταυτοποίηση έγινε με φασματοσκοπικές μεθόδους (φασματοσκοπία Raman) και με περίθλαση ακτίνων Χ. Η τελευταία τεχνική, λόγω της μικρής αναλογίας κρυσταλλικό στερεό/πολυμερές, δεν έδωσε αποτελέσματα και ως εκ τούτου δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ως τεχνική ταυτοποίησης. Η χρήση της προϋποθέτει διαφορετική γεωμετρία δείγματος-ανιχνευτή. Ο υπερκορεσμός είναι η κινητήρια δύναμη για την έναρξη της πυρηνογένεσης και της εν συνεχεία ανάπτυξης των σταθερών πυρήνων σε κρυσταλλίτες φωσφορικού ασβεστίου. Δεδομένου του ότι, η συγκέντρωση ασβεστίου του υδατοειδούς υγρού είναι χαμηλή, περίπου η μισή της αντίστοιχης του πλάσματος, υπετέθη, ότι κάθε αιτία τοπικής αύξησης του ασβεστίου και του φωσφόρου, εντός του υδατοειδούς υγρού, μπορεί ενδεχομένως να καταλήξει σε δυστροφική ασβεστοποίηση των φακών. Η μελέτη των φακών και η αξιολόγηση του φαινομένου στο πειραματικό μοντέλο που δημιουργήθηκε στην παρούσα εργασία έγιναν σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού, δεδομένου του ότι υπήρξε συνεχής ανανέωση του υδατοειδούς υγρού εντός του αντιδραστήρα, κατά τρόπο κατάλληλο ώστε να επιτευχθεί ικανοποιητική προσομοίωση των in vivo συνθηκών. Τα περισσότερα βιολογικά ρευστά, περιλαμβανομένου του υδατοειδούς υγρού είναι υπέρκορα ως προς διάφορες φάσεις αλάτων φωσφορικού ασβεστίου, οι οποίες κατά σειρά μειωμένης διαλυτότητας είναι το διένυδρο φωσφορικό ασβέστιο (CaHPO42H2O, DCPD), το φωσφορικό τριασβέστιο (Ca3(PO4)2, TCP), το φωσφορικό οκτασβέστιο (Ca8H2(PO4)65 H2O, OCP) και ο υδροξυαπατίτης (Ca10(PO4)6(OH)2, HAP). Η διαλυτότητα των κρυσταλλικών αυτών φάσεων και ο υπερκορεσμός των διαλυμάτων καθορίζονται από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, το pH κτλ. Η τάση για καταβύθιση και σχηματισμό συγκεκριμένης φάσης κρυσταλλικού ασβεστίου εντός του υδατοειδούς υγρού, μπορεί να καθοριστεί από το διάγραμμα διαλυτότητας και εξαρτάται από το pH του διαλύματος και από τη θερμοκρασία. Σε υψηλές τιμές υπερκορεσμού και σε διαλύματα με υψηλό pH, έχει ταυτοποιηθεί ο σχηματισμός και η σταθεροποίηση πρόδρομων φάσεων, ενώ σε συνθήκες χαμηλού υπερκορεσμού και μειωμένου pH σχηματίζεται απ’ ευθείας ΗΑΡ. Η διαδικασία της ασβεστοποίησης των ενδοφακών επηρεάζεται από παράγοντες όπως η δομή και η κατεργασία του πολυμερούς υλικού βάσης (μήτρα), η παρουσία πόρων και η περιεκτικότητά του σε νερό. Τα ακρυλικά πολυμερή διαθέτουν επιφανειακές ιονιζόμενες καρβοξυλικές ομάδες, η παρουσία των οποίων σε ιονισμένη μορφή (-COO-, pH>4) ευνοεί τη συμπλοκοποίηση με ιόντα ασβεστίου του υδατοειδούς υγρού. Τα επιφανειακά αυτά σύμπλοκα είναι πιθανόν να λειτουργούν ως ενεργά κέντρα για την πυρηνογένεση και περαιτέρω ανάπτυξη των κρυστάλλων του φωσφορικού ασβεστίου. Επιπλέον, η ασβεστοποίηση φαίνεται ότι είναι έντονη στους υδρόφιλους φακούς, λόγω της υψηλότερης ενυδάτωσης των υδρόφιλων πολυμερών, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη επιφανειακή συγκέντρωση των ιονισμένων ομάδων (ομάδες / m2) και συνεπώς και των επιφανειακών συμπλόκων- ενεργών κέντρων για την κρυσταλλική ανάπτυξη. Στην παρούσα εργασία και στο in vitro μοντέλο με τη χρησιμοποίηση ενός υδρόφιλου φακού, διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία της ασβεστοποίησης λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των φακών, στην πολυμερική μήτρα. Οι σχηματισμοί στο πειραματικό μοντέλο εντοπίσθηκαν στο εσωτερικό των ενδοφακών και με την πάροδο του χρόνου, διαπιστώθηκε ότι μετατοπίζονταν προς τα επιφανειακά στρώματα των φακών. Επίσης, οι εναποθέσεις εμφανίσθηκαν ως γραμμικό μέτωπο παράλληλο προς την γραμμή της επιφάνειας των ενδοφακών. Τόσο η μορφολογική εξέταση των εναποθέσεων στο εσωτερικό όσο και η φασματοσκοπική τους ταυτοποίηση, έδειξε ότι η σύστασή τους ήταν εξ’ ολοκλήρου ΗΑΡ, χωρίς να αποκλείεται και ο σχηματισμός πρόδρομης φάσης OCP, δεδομένου του ότι βρέθηκαν κρυσταλλίτες οι οποίοι μορφολογικά παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα στη φάση αυτή. Η ερμηνεία της διαπίστωσης του γεγονότος ότι η ασβεστοποίηση λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό των ενδοφακών, συνίσταται στο ότι η διάχυση των ιόντων Ca2+ και PO43- εντός της πολυμερικής μήτρας, προχωρεί μέχρι τέτοιο βαθμό ώστε να δημιουργούνται στο εσωτερικό του πολυμερούς συνθήκες τοπικού υπερκορεσμού, κατάλληλες για τη δημιουργία των αντίστοιχων κρυστάλλων. Με την υπόθεση ότι οι τιμές των συντελεστών διάχυσής των ιόντων Ca2+ και PO43- εντός της πολυμερικής μήτρας, είναι της αυτής τάξεως μεγέθους είναι δυνατόν να εξηγηθεί και η εμφάνιση μετώπου συγκέντρωσης των. Η συσσώρευση των ιόντων τα οποία αποτελούν τα δομικά συστατικά του ΗΑΡ συνεχίζεται μέχρις ότου επιτευχθεί μία κρίσιμη τιμή υπερκορεσμού. Σε αυτό το σημείο σχηματίζονται οι πυρήνες και λαμβάνει χώρα η κρυσταλλική ανάπτυξη με τον ερχομό και συσσώρευση επιπρόσθετων ιόντων. Η ασβεστοποίηση των υδρόφιλων ενδοφακών είναι μία προοδευτική και συνεχώς εξελισσόμενη διαδικασία μετά την εμφύτευσή τους και όσο περισσότερο αφήνεται να εξελιχθεί τόσο αυξάνεται η πυκνότητα των εναποθέσεων στο εσωτερικό των φακών. Η επιφάνεια μπορεί να προσβληθεί μόνο σε όψιμες φάσεις και αρκετά χρόνια μετά την εμφύτευση των φακών. Στο σημείο αυτό κρύσταλλοι μπορεί να αναπτυχθούν και σε σημεία, στα οποία έχουν δημιουργηθεί στην επιφάνεια του πολυμερούς σχισμές και χαρακιές. Το θέμα της έναρξης της ασβεστοποίησης (εσωτερικό ή επιφάνεια) χρειάζεται περαιτέρω διερεύνηση. Σύμφωνα με κάποιες αναφορές στη βιβλιογραφία, προτείνεται ότι η έναρξη της ασβεστοποίησης γίνεται στην επιφάνεια των ενδοφακών. Στην παρούσα εργασία, σε συνθήκες χαμηλού υπερκορεσμού, ανάλογες με τις αντίστοιχες υγιούς υδατοειδούς υγρού η ασβεστοποίηση έλαβε χώρα στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας του ενδοφακού και σε χρόνο και με τρόπο ο οποίος μπορεί να εξηγηθεί από τη (βραδεία) διάχυση των δομικών ιόντων του ΗΑΡ στο εσωτερικό της πολυμερικής μήτρας. Τα ευρήματα και τα συμπεράσματα από την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας με τη χρήση υδρόφιλων ενδοφακών με υδρόφοβη επικάλυψη δείχνουν ότι το θέμα της έναρξης της ασβεστοποίησης˙ εσωτερικό ή επιφάνεια φαίνεται ότι εκτός από τον υπερκορεσμό, υψηλός ή χαμηλός, εξαρτάται και από τη φύση του πολυμερούς του φακού˙ υδρόφιλη ή υδρόφοβη. Τα ευρήματα δείχνουν ότι η υδρόφιλη φύση ευνοεί τη διάχυση, ενώ το υδρόφοβο υλικό την έναρξη της ασβεστοποίησης στην επιφάνεια του φακού. Τα ευρήματα δείχνουν ότι η υδρόφιλη φύση ευνοεί τη διάχυση, ενώ το υδρόφοβο υλικό την έναρξη της ασβεστοποίησης στην επιφάνεια του φακού. Συμπερασματικά, η όψιμη μετεγχειρητική ασβεστοποίηση των ενδοφακών συνιστά σοβαρή επιπλοκή και αιτία μείωσης της όρασης. Λόγω του ότι η διαδικασία και η εκδήλωση του φαινομένου έχει καθυστερημένη έναρξη, είναι σημαντική η μακροχρόνια και προσεκτική παρακολούθηση αυτών των ασθενών. Αρκετοί οφθαλμίατροι δεν είναι ενήμεροι ως προς αυτήν την κλινική οντότητα και αναγνωρίζοντάς την βοηθούν ώστε να μην υποβάλλουν τους ασθενείς σε ανώφελες επεμβάσεις. Η χειρουργική εξαίρεση του φακού συνιστά τη μοναδική θεραπευτική προσέγγιση, καθώς ασθενείς με ασβεστοποιημένους φακούς παρουσιάζουν σταδιακή μείωση της οπτικής τους οξύτητας και καμία περίπτωση αυτόματης υποστροφής δεν έχει παρατηρηθεί. / Small incision cataract surgery with foldable IOL implantation resulted in a new postoperative complication, IOL opacification. Various factors implicated in the phenomenon have been suggested, including inflammation, irrigation solutions and viscosurgical devices, silicone and fatty acids contamination. There is increasing evidence that IOL opacification is due to calcification. Modeling in vivo processes by reliable and reproducible in vitro methods is of key importance to understand the underlying mechanisms. Precise thermodynamic calculations of equilibrium speciation in combination with kinetics measurements at conditions simulating the eye environment are expected to yield mechanistic information concerning the formation of calcium phosphate deposits. In the present contribution we have developed an experimental approach for the investigation of the mechanism of calcification of hydrophilic acrylic IOLs. A double walled thermostated reactor was constructed, volume totaling 10 ml made of polyamide. The reactor had glass windows on top and bottom to allow for the direct observation of the IOL specimens in situ using an optical microscope combined with an image analysis system. In the external wall of the reactor, water supplied from a thermostat was circulated in order to maintain the temperature at 37.0  0.2˚C, while in the interior of the reactor constant flow of a simulated aqueous humor solution (SAH) was ensured with the help of a syringe pump. The SAH solution was introduced in the reactor in an once flow mode at a flow rate of 0.2ml/h, simulating the in vivo flow in the anterior chamber, where aqueous humor is fully renewed within 2 hours. Hydrophilic acrylic IOLs (A, B and C) in triplicate, made of Poly-HEMA with 26% water content were placed in a special holder. The observation of IOLs was done in situ daily by optical microscopy, for the assessment of the opacification progress. Five months after the initiation of the experiment, Lens A was removed in order to be inspected, both at the surface and in the interior. The morphology of the deposits was examined using Scanning Electron Microscopy (SEΜ). The composition of the deposits was identified by microanalysis with Energy Dispersive x-ray Spectroscopy (EDS). Lens B was removed on the ninth month, while Lens C was inspected one year after the onset of the experiment. Similar studies including SEM and EDS analysis were used for the investigation of both those lenses. Investigation showed deposits of calcium phosphate crystallites in the interior of opacified IOLs. These deposits however, were not observed on the IOL’s surface. The thermodynamic driving force for the formation of a salt from solution is the difference between the chemical potentials of the salt in solution from the equilibrium. Taking into account that the calcium concentration in normal aqueous humor is low, about half of the respective value in blood serum, it may be assumed that any cause of localized increase in calcium and phosphorus might result in dystrophic calcification. The experiments in the present work were done at conditions of practically constant supersaturation, since the solution in the experimental reactor was flown once through thus providing a reasonable simulation of the in vivo conditions. Heterogeneous nucleation, an almost ubiquitous phenomenon, is initiated at impurity sites and foreign surfaces in contact with supersaturated solutions. The induction time preceding the formation of nuclei of solids which grow to crystals depends on several factors, including temperature, pH, ionic strength, solution composition which determine the thermodynamic driving force for the formation of the solid phase. Biological fluids like blood serum or aqueous humor are supersaturated with respect to a number of different phases of calcium phosphate salts, in the order of decreasing solubility: Calcium phosphate dehydrate (CaHPO42H2O, DCPD), Tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2, TCP), Octacalcium phosphate (Ca8H2(PO4)65 H2O, OCP) and Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, HAP). HAP is the thermodynamically stable phase while the rest of the crystalline phases are precursors which may be formed and/or stabilized in supersaturated solutions depending on the conditions in the supersaturated solutions. The tendency for particular calcium phosphate phases to form in supersaturated solutions may be estimated from the solubility phase diagrams of calcium phosphates. Unstable precursor phases, if formed, they convert through hydrolytic processes to the thermodynamically most stable. The process of biomaterial calcification seems moreover to be influenced by factors such as polymer structure, polymer porosity and water content. The ionizable surface hydroxyl groups (present in the carboxyl functional groups) available on the surface of the acrylic polymers may act as sites for nucleation and growth of mineral phase, through surface complexation with calcium ions. The presence of larger numbers of –COOH groups on the polymers accelerate the process of Ca-P overgrowth. The higher extend of hydration in hydrophilic materials leads to higher ionization of the surface functional groups, thus promoting calcification through the formation of complexes with Ca2+ ions. The higher calcification incidents observed in IOLs with higher water content has been attributed to this fact. The polar functional groups (-COO) on the surface of the polymeric matrix of IOLs result in the significant increase in electron density and the subsequent reduction of the interfacial energy between the polymer and aqueous solution. The energy barrier to diffusion of calcium and phosphate species from the bulk solution to the substrate is also reduced, through the formation of surface complexes, which favor the accumulation of Ca2+ and PO43- ions, thus promoting calcification. Our in vitro model experiments have shown that IOL’s calcification is a process initiated at the interior of the IOLs tested. SEM investigation in combination with EDS microanalysis, confirmed the presence of HAP crystallites with sizes less than 100nm. Raman spectroscopy analyses of the opacified lenses corroborated the findings for HAP formation in the interior of the polymeric matrix. X-Ray diffraction measurements failed to identify the presence of minerals apparently because of the low content (by mass) of solid in the polymeric matrix. Supersaturation of the aqueous humor, with respect to calcium phosphate, is the driving force a necessary condition for nucleation of Ca-P salts. The formations observed in our experimental set-up which simulated closely in vivo conditions, were found exclusively in the interior of the IOLs. The solid deposits formed linear fronts parallel to the lens surfaces, advancing with time. It may be suggested therefore that the deposits fronts is the result of diffusion of Ca2+, PO43- and OH- ions through the polymer matrix in contact with the polymer. Assuming similar values for the diffusion coefficients of Ca2+, PO43- and OH- ions in the gel (bulk polymer) material the formation of linear deposits fronts may be explained from the formation of the supersaturated solutions at a depth in which a critical supersaturation was reached. At this point calcium phosphate nuclei form and grow with the arrival of additional ions. IOL’s calcification is an ongoing process after IOL implantation, and the longer the process proceeds, the density of the deposits in the interior of the IOL increases. In all of the cases surface was free of deposits and the distortions that were observed are thought to be due to changes in polymer structure in the IOL’s interior. Surface can be affected only in late phases of calcification and many years after IOL implantation. At this stage crystals may outgrow especially at places in which the polymer’s surface has developed fissures. The issue of calcification’s process initiation (interior or surface) needs further investigation. Reports in the literature, suggest that calcification is initiated on the surface of the IOL. In our experiment where low supersaturation conditions have been achieved, diffusion was favored resulting in calcification at the interior of the polymeric matrix. Investigation and analysis of IOLs with hydrophobic surface confirmed that the issue of calcification`s process initiation is more over influenced by factors others than supersaturation conditions, such as the hydrophilic or hydrophobic nature of the IOLs surface. The experimental analysis proved that hydrophilic IOLs favor ions diffusion while hydrophobic material limits calcification process on the surface. In conclusion, late postoperative IOL opacification causes a severe loss of visual acuity. Because calcification process appears to be of delayed onset it is important to be vigilant in the long-term follow-up of these patients. Many ophthalmologists are not aware of this clinical problem and recognizing this phenomenon will help prevent patients from undergoing useless procedures. IOL exchange is the only therapeutic approach, in such patients, as patients with calcified IOLs have gradual deterioration of their visual acuity and no case of spontaneous recovery has been observed.

Η παρούσα έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ρευστομηχανικής και Εφαρμογών Αυτής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα «Ηράκλειτος ΙΙ» στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθησης, Επένδυση στη κοινωνία της γνώσης. Ο έλεγχος του θερμικού φορτίου στη λειτουργία διαφόρων μηχανολογικών ή ηλεκτρολογικών συστημάτων από συστήματα ψύξης, γίνεται όλο και πιο αναγκαίος στη σημερινή εποχή. Τα συστήματα ψύξης κατηγοριοποιούνται σε ενεργά, που μεταφέρουν ενέργεια υπό μορφή αισθητής θερμότητας μέσω ενός υγρού και σε παθητικά συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούν τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του ρευστού λειτουργίας που κυκλοφορεί στην εγκατάσταση, εξαιτίας των τριχοειδών δυνάμεων που αναπτύσσονται από την ύπαρξη πορώδους υλικού. Τα παθητικά συστήματα ψύξης προτιμώνται έναντι των ενεργών, καθώς έχουν τη δυνατότητα να απάγουν περισσότερη θερμότητα, παρουσιάζουν πιο αξιόπιστη λειτουργία, εξαιτίας της έλλειψης κινητών μερών και τέλος, εμφανίζουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μία διάταξη που προσφέρει δυνατότητες ελέγχου του θερμικού φορτίου είναι το κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας, Capillary Pump Loop (CPL), που αποτέλεσε και το αντικείμενο μελέτης στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Αξιοποιεί τις τριχοειδείς δυνάμεις που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια υγρής-αέριας φάσης του ρευστού λειτουργίας στο πορώδες υλικό που περικλείει ο εξατμιστής στο εσωτερικό του, καθώς και τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης και συμπύκνωσης του ρευστού. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνει την κυκλοφορία του ρευστού λειτουργίας στην εγκατάσταση, χωρίς την παρουσία μηχανικής αντλίας, και τη μεταφορά των απαιτούμενων θερμικών φορτίων σε μεγάλες αποστάσεις. Ένα κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας αποτελείται από έναν εξατμιστή, ένα συμπυκνωτή, τις γραμμές υγρού και ατμού καθώς και ένα ρεζερβουάρ. Από τη μέχρι τώρα έρευνα είχαν μελετηθεί πειραματικά αρκετά μοντέλα CPL, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη διαδικασία εκκίνησης της διάταξης καθώς και στις συνθήκες μόνιμης λειτουργίας. Σε όλα αυτά τα μοντέλα το θερμικό φορτίο επιβάλλονταν μέσω ηλεκτρικών αντιστάσεων. Στην παρούσα διερεύνηση η διάταξη ενσωμάτωσε τη δυνατότητα η προσφερόμενη θερμότητα να παρέχεται και από την ηλιακή ακτινοβολία αναπτύσσοντας έναν εργαστηριακό ηλιακό προσομοιωτή. Προκειμένου να βελτιώσουμε τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας και να επιτύχουμε υψηλότερη θερμοκρασία στον εξατμιστή του CPL χρησιμοποιήθηκε παραβολικό κάτοπτρο σε συνδυασμό με συγκεντρωτικό συλλέκτη. Η πειραματική εγκατάσταση που σχεδιάσθηκε και κατασκευάστηκε είχε ως στόχο τη μελέτη της συμπεριφοράς του CPL σε θερμικά φορτία υπό μεταβλητές συνθήκες πλήρωσης της εγκατάστασης, ενώ εξετάστηκε και η συμπεριφορά της τριχοειδούς αντλίας όταν ο εξατμιστής βρίσκονταν υπό κλίση ως προς το επίπεδο, και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τα αντίστοιχα για λειτουργία σε οριζόντιο επίπεδο. Η παραμετροποίηση της πειραματικής διερεύνησης του CPL αφορούσε τέσσερις τιμές θερμοκρασίας εισόδου του ρευστού, 15, 25, 35 και 45 οC, τρεις τιμές πίεσης πλήρωσης του κυκλώματος, 0,05, 0,15 και 0,25 bar, και, τέλος, τρεις γωνίες κλίσης, 8ο, 16ο και 23ο. Η διάρκεια των πειραμάτων ήταν αρχικά δέκα ώρες, ώστε να προσομοιώνει τη λειτουργία της εγκατάστασης σε διάστημα ηλιοφάνειας κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου, αλλά και εικοσιτέσσερις, ώστε να αποτυπωθεί η απρόσκοπτη διατήρηση της κατάστασης σταθερής λειτουργίας του κυκλώματος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται τα υπολογιστικά μοντέλα δύο και τριών διαστάσεων, 2Δ και 3Δ, όπως σχεδιάστηκαν στο λογισμικό GAMBIT της Fluent Inc., βάση των διαστάσεων του εξατμιστή της πειραματικής εγκατάστασης. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε αφορούσαν το νερό, την ακετόνη, την αμμωνία σαν ρευστά λειτουργίας, τόσο στο επίπεδο όσο και υπό γωνίες κλίσης, παραμετροποιώντας τόσο το θερμαινόμενο μήκος πορώδους επί του συνολικού μήκους του πορώδους του εξατμιστή, όσο και τη θερμοκρασία κορεσμού. Τα δεδομένα για όλα τα ρευστά συγκεντρώθηκαν σε συγκριτικά διαγράμματα, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τα περιθώρια αξιοποίησης αυτών, είτε υπάρχει κλίση είτε όχι. Επιπλέον, τεκμηριώθηκε η επιλογή του νερού σαν καταλληλότερο ρευστό λειτουργίας κάτω από δεδομένες συνθήκες. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζεται ο αριθμητικός κώδικας που δημιουργήθηκε για τη μοντελοποίηση ολόκληρης της εγκατάστασης του CPL και παραθέτουμε συγκριτικά διαγράμματα, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, με τα πειραματικά, τα αριθμητικά και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Στο τελευταίο μέρος έχουμε σχεδιάσει κυκλώματα, αξιοποιώντας την τριχοειδή αντλία, για τη ψύξη/θέρμανση των χώρων μιας κατοικίας για ολόκληρο το έτος. Μια πρόταση που βασίζεται στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και ανταποκρίνεται στην επιτακτική ανάγκη για εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τη μείωση της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, εξοικονομώντας χρήματα και προστατεύοντας το περιβάλλον / Present research was conducted in Fluid Mechanics Laboratory of the Mechanical Engineering and Aeronautics Department, University of Patras, and was financed by the operational programme «Herakleitos II», Education and Lifelong Learning Investing in knowledge society. Modern demands in controlling heating load of the cooling systems of mechanical or electrical components are increasing. Cooling systems are divided in active and passive systems. In active systems energy is transported due to sensual heat. While in passive systems due to working fluid latent heat of evaporation because of capillary forces developed in the porous wick inside the evaporator. Passive systems are preferred compared to active systems because they can transfer larger amount of heat, are more reliable, since there are no moving parts, and, finally, lifetime period is longer. The Capillary Pumped Loop (CPL) is a device proper for thermal management control, and was investigated in the present PhD study. The CPL operating principle is based on capillary action, developed in the liquid-vapor phase interface of the working liquid in the porous wick inside the evaporator, and working fluid evaporation and condensation latent heat. The result is that the working fluid is displaced inside the loop without any mechanical pump and heat load is transported in large distances. CPL main components are an evaporator, a condenser, a liquid line, a vapor line and a reservoir. Research regarding the CPL experimental models so far concentrated in the evaporator start-up and steady working state conditions. For all those cases heat load was applied through electric resistances. In the present study heat load was alternatively applied through solar radiation using a solar simulator, designed for this purpose. In order to achieve higher temperature in the evaporator external wall and increase solar radiation exploited, a parabolic mirror was used in combination with a solar collector. The experimental installation was designed in such a way to study the behavior of a CPL when heat load was imposed under different loop charging pressures and for several evaporator inclination angles. Experimental results where compared to the results acquired for evaporator operating at zero inclination angle. The initial values of the working fluid temperature were 15, 25, 35 and 45 oC, of the charging pressure 0,05, 0,15, 0,25 bar and of the inclination angle 8, 16 and 23o. The duration of the experiments was initially ten hours, in order to simulate CPL operating during a typical summer day, and then increased to twenty four hours to investigate continuous operation during all day. In the second section of this study two and three dimensions, 2D and 3D, computational models are presented designed in Gambit, Fluent Inc., based on the exact dimensions of the experimental ones. Computational results were derived for water, acetone and ammonia, as working fluid, for zero inclination and the three values of angles mentioned above. Models were customized for different porous wick heated length and working liquid of different saturation temperature. Comparative figures for all working fluids are presented whether evaporator was under inclination angle or not. Moreover, those comparative figures reviled that water was more suitable as working fluid under steady operating state. In the third section the numerical model simulating the overall CPL function is presented and comparative figures between experimental, computational and numerical results are given, for the same operating conditions. In the last section a potential solar CPL heating/cooling system for domestic use is presented. This potential system could meet the demands for using renewable energy sources in order to reduce electrical energy consumption, save money and protect the environment at the same time.