NO20140845A1 - Gittermanifold - Google Patents

Abstract

Det er tilveiebragt et varmerørsystem for overføring av varme ved høye temperaturer over store arealer. Formålet blir oppnådd ved hjelp av et gitter som ligger mellom og er i mekanisk kontakt med en første og en andre overflate som sammen med en side-vegg omslutter et volum som inneholder et arbeidsfluid. Den tekniske effekten er at gitteret gjør det mulig å lage varmerørsystemer med store arealer som opererer ved høyt trykk samtidig som den strukturelle integriteten opprettholdes.

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Teknisk område

Oppfinnelsen dreier seg om varmeoverføringssystemer i alminnelighet og i spesielt at system og en fremgangsmåte for overføring varme ved høye temperaturer over store arealer.

Bakgrunnsteknikk

Fra tidligere kjent teknikk skal man vise til varmerør. Disse er effektive til overføring av store varmemengder ved bruk av faseendring i et arbeidsfluid. Det finnes todimensjonale (eller 2D) varmerør hvor varme blir absorbert over en plan overflate fra en anordning, typisk for bruk til avkjøling av elektronikk slik som halvlederbrikker. Disse opererer ved lave temperaturer. Ved høye temperaturer vil trykket øke, og varmerøret vil ved ett punkt omforme alt arbeidsfluidet til dampfase, og den plane overflaten vil bli deformert, eventuelt slik at den får en ballongform, og dette reduserer dermed også det effektive kontaktarealet. Dette vil typisk føre til permanent skade på varmerøret og etterfølgende permanent skade på anordningen. Alternativt finnes det varmerør med sirkelformet tverrsnitt og eventuelt med bøyer og/eller med varmespredere. Selv om dette varmerøret har god mekanisk styrke for høye trykk, er problemet den lille kontaktflaten med anordningen. Varmespredere eller formede hulrom for feste til varmerørene vil forbedre effektiviteten, men uansett vil kompleksiteten øke.

Bruk av tradisjonelle varmerør vil også kreve anvendelse av en kappe, slik som en aluminiumsprofil, som omslutter varmerørene og bringer varmerørene i termisk kontakt med den store overflaten som skal avkjøles. Dette øker kompleksiteten og den termiske resistansen mellom varmerørene som vanligvis er laget av stål, og aluminiumskappen. Det kan dessuten oppstå problemer vedrørende de forskjellige utvidelseskoeffisientene mellom de forskjellige delene.

Oppsummering av oppfinnelsen

Problemer som skal løses ved hjelp av oppfinnelsen

Et hovedformål med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe et varmeoverføringssystem som er i stand til å overføre store varmemengder over et stort område mens det opererer ved høye temperaturer.

Midler for løsning av problemene

Formålet blir ifølge oppfinnelsen oppnådd ved hjelp av en anordning for overføring av varme som angitt i ingressen til krav 1, og som inneholder de trekk som er angitt i karakteristikken i krav 1.

Et antall ikke-uttømmende utførelsesformer, varianter eller alternativer av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkravene.

Foreliggende oppfinnelse oppnår det ovenfor beskrevne formål ved hjelp av et gitterverk mekanisk festet til og beliggende mellom en første og en andre overflate.

Effekter av oppfinnelsen

De tekniske forskjellene i forhold til tradisjonelle, todimensjonale varmerør er gitterverket som forbinder en første og en andre overflate som gir mekanisk styrke til anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse. Varme føres inn i systemet gjennom den første overflaten og bringer et arbeidsfluid omsluttet av de første og andre overflatene og sideflater til koking. Når arbeidsfluidet fordamper, øker trykket og det indre gitterverket opprettholder integriteten til formen av anordningen.

Den tekniske effekten av denne forskjellen er at gitteret tilveiebringer en betydelig forbedret mekanisk styrke til varmerøret og opprettholder dermed den strukturelle integriteten og også den plane formen selv ved høyt indre trykk, samt større effektivt fordampnings/kondenserings-overflateareal.

Disse effektene tilveiebringer igjen flere ytterligere fordelaktige virkninger:

gitteret skaper et større areal for fordampning

gitteret tilveiebringer et større nukleasjonsareal

temperaturen er hovedsakelig jevn over den første og andre overflaten den mekaniske styrken til gitterverket gjør det mulig å oppskalere

størrelsen av fordamperen

væske tilbakeført fra kondensatoren for fordampning blir jevnt fordelt gitterverket kan ytterligere forsynes med en vekevirkningsoverflate for

ytterligere forbedring av væskeretur

enkel produksjonsprosess

uavhengig av helling

Kort beskrivelse av tegningene

De ovennevnte og ytterlige trekk ved oppfinnelsen er spesielt angitt i de etterfølgende patentkrav og vil sammen med fordelene fremgå klarere fra den følgende detaljerte beskrivelse av et utførelseseksempel av oppfinnelsen gitt under henvisning til de vedføyde tegningene.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet nedenfor i forbindelse med utførelseseksempler som er vist skjematisk på tegningene, hvor: Figur 1 viser foreliggende oppfinnelse montert på en anordning som skal avkjøles,

Figur 2a viser et enderiss av en første utførelsesform,

Figur 2b viser et sideriss av den første utførelsesformen,

Figur 2c viser et oppriss av den første utførelsesformen,

Figur 2d viser et tverrsnitt A-A gjennom den første utførelsesformen, Figur 2e viser et tverrsnitt B-B gjennom den første utførelsesformen.

Beskrivelse av henvisningstegn

Følgende henvisningstall og tegn refererer til tegningene:

Detaljert beskrivelse

Forskjellige aspekter ved oppfinnelsen blir beskrevet mer fullstendig i det etterfølgende under henvisning til de vedføyde tegningene. Oppfinnelsen kan imidlertid utføres på mange forskjellige måter og skal ikke anses begrenset til noen spesifikk konstruksjon eller funksjon som er til stede i denne beskrivelsen. Disse aspektene er heller gitt slik at oppfinnelsen skal bli grundig og fullstendig, og fullstendig skal angi oppfinnelsens omgang for fagkyndige på området. Basert på det som er beskrevet her, bør en fagkyndig på området forstå at omfanget av oppfinnelsen er ment å dekke alle aspekter ved oppfinnelsen som er beskrevet her, uansett om de er implementert uavhengig av eller i kombinasjon med andre aspekter ved oppfinnelsen. En anordning kan for eksempel være implementert eller en fremgangsmåte kan praktiseres ved å bruke et hvilket som helst antall av de aspektene som er angitt her. Omfanget av oppfinnelsen er videre ment å dekke enhver slik anordning eller fremgangsmåte som praktiseres ved å bruke en annen konstruksjon, funksjonalitet eller struktur og funksjonalitet i tillegg til andre enn de forskjellige aspektene ved oppfinnelsen som er angitt her. Man vil forstå at ethvert aspekt ved oppfinnelsen som er beskrevet her, kan utgjøres av ett eller flere elementer i et krav.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i forbindelse med utførelseseksempler som er skjematisk vist på tegningene, hvor figur 1 viser foreliggende oppfinnelse montert på en anordning som skal avkjøles.

Prinsipper som utgjør grunnlaget for oppfinnelsen

Varmerør

Med varmerør er det her ment to utførelsesformer: «varmerør» hvor en veke eller en annen kapillareffekt trekker væske tilbake til den varme enden, og «termosifong» hvor tyngdekraften trekker væske tilbake til den varme enden. Den varme enden er også kjent som fordampningsseksjonen. Begge prinsippene kan anvendes i denne oppfinnelsen selv om en termosifong blir foretrukket hvor rørlegemet er forsynt med en hovedsakelig nedadrettet helling slik at fluid i væskefasen kan renne ned langs lengden av røret. Siden varmerør av begge typer opererer ved å fjerne varme ved hjelp av faseovergang fra væske til gass, blir det foretrukket at varmerøret tillater væske å nå det nedre punktet i varmerøret.

Sentralt i oppfinnelsen er den erkjennelsen at et varmerør kan forsynes med tilstrekkelig mekanisk styrke til å motstå trykkindusert deformasjon ved å bruke et indre gitter som forbinder en første overflate med en andre overflate.

Den første overflaten befinner seg på motsatt side av en andre overflate og omslutter sammen med en sidevegg et volum som inneholder et arbeidsfluid. Ved tilførsel av varme stiger temperaturen, og i det minste noe av arbeidsfluidet gjennomgår en faseovergang fra væske til gass. Som reaksjon på det økte trykket tilføres en kraft som er proporsjonal med trykk og areal påført den første overflaten. Hvis den første og andre overflaten har samme areal, blir den andre overflaten utsatt for en kraft som har samme størrelse, men som virker i motsatt retning. Gitteret som forbinder den første og den andre overflaten, vil så forbinde og dermed kansellere disse kreftene og dermed opprettholde integriteten til formen av den første og den andre overflaten.

Sideveggen kan eventuelt også være festet til gitteret.

Det skal bemerkes at et varmerør ved romtemperatur kan være ved et betydelig lavere trykk enn normalt atmosfæretrykk, vanligvis for å senke kokepunktet til arbeidsfluidet. Derfor, forut for å bringe arbeidsfluidet til koking, vil lufttrykket utøve et betydelig innadrettet trykk over de første og andre overflatene, eventuelt tilstrekkelig til å forårsake skade på grunn av ikke-elastisk deformasjon. Selv elastisk deformasjon kan være skadelig ettersom den vil redusere varmeoverførings-kapasiteten i deler og forårsake lokalisert endring av den delen som skal avkjøles av varmerøret. Også i dette tilfellet vil gitteret bidra til å opprettholde strukturell integritet for varmerøret.

Beste måter for utførelse av oppfinnelsen

Den utførelsesformen av anordningen 100 ifølge oppfinnelsen som er vist på figur 2a-2c, omfatter et varmerør 100 med en varm ende 130, omfattende en første overflate 134 og en andre overflate 135 på motsatt side av den første overflaten, og en sidevegg 136 som sammen omslutter et volum som kan inneholde et arbeidsfluid 103, 104. Et gitter 138 er mekanisk festet til den første og andre overflaten og også sideveggen som forbinder disse mekanisk. Gitteret er derfor hovedsakelig neddykket i fluidet i væskefasen 103.

Ved en øvre ende av den varme enden er det festet en kald ende. Ved den kalde enden er det plassert en kondenseringsenhet 120. Kondenseringen bruker et kjølefluid som strømmer gjennom fluidkoplingsanordningene 124 for å fjerne varme. I en foretrukket utførelsesform er en kondenseringsenhet i god termisk kontakt med den kalde enden og atskilt av en overflate. Dette betyr at varmerørsystemet kan operere ved et trykk som er uavhengig av kondenseringsenheten.

Ved kondenseringsenheten 120 strømmer et kjølefluid inn i en første fluidkoplingsanordning, inn i den kalde enden med kondenseringsenheten hvor varme blir fjernet fra fluidet i gassfase og overført til kjølefluidet, og ut gjennom en andre fluidkoplingsanordning.

I en typisk utførelsesform blir varme absorbert bare gjennom en enkelt varme-absorberingsflate, her den første overflaten. I dette tilfellet blir den første overflaten holdt glatt, mens den andre overflaten fortrinnsvis er korrugert for å tilveiebringe ytterligere mekanisk stabilitet.

Denne konstruksjonen er også gunstig for produksjon. I et foretrukket eksempel blir en prefabrikkert metallgitterstruktur anbragt mellom en første og en andre metallplate hvor metallplatene blir opprettholdt parallelt med hverandre når platene blir forbundet med gitteret. Forbindelsen kan utføres ved å bruke et bredt område med fremgangsmåter fra sveising, støpning, lodding, sintring og liming ved fortrinnsvis å bruke en metallholdig epoksy. Etter festing blir platene forsynt med en overflatefinish, fortrinnsvis forsynt med langsgående spor for å motta termisk masse, også kalt varmemasse eller termisk pasta.

Den laminerte konstruksjonen blir skåret til en størrelse og forsynt med sidevegger. Sideveggene kan eventuelt være i mekanisk kontakt med gitteret. Sideveggene kan også brukes til å forhåndsdeformere den laminerte konstruksjonen for å tilveiebringe en mer lineær termisk ekspansjon ved oppvarming av det komplette varmerøret. Figur 2d viser et tverrsnitt av hvordan gitteret er plassert inne i varmerøret. Figur 2e viser et tverrsnitt av hvordan arbeidsfluidet i væskefasen er fordelt med gitteret plassert inne i varmerøret.

Gitteret er typisk laget av kopper, karbonstål, aluminium eller rustfritt stål og er avhengig av den type arbeidsfluid som brukes. Når det brukes vann som arbeidsfluid, blir det foretrukket å bruke rustfritt stål eller kopper i alle overflater som er i kontakt med arbeidsfluidet. I tilfeller med høyt damptrykk, blir rustfritt stål helst foretrukket.

Det er viktig å feste den varme enden tett til overflaten som skal avkjøles. For dette formål blir det foretrukket å forsyne den varme enden med festemidler 160. Disse kan være i form avfestehull 162 eller festeslisser 164, typisk anordnet omkring kanten av den varme enden.

Det blir også foretrukket å forsyne innsiden av kondenseringsenheten 120 med et kondenseringsgitter 122. Den tekniske effekten er at varme strømmer inne i gitteret med mindre motstand enn gjennom kjølefluidet og overfører dermed varmen mer effektivt.

Ved fremstilling av varmerørene i henhold til foreliggende oppfinnelse, blir det foretrukket å starte med en blokk som har en laminert struktur der et gitter er plassert mellom to metallplater. Et gitter er plassert på en første metallplate og mekanisk forbundet med metallplaten, for eksempel ved støpning. En andre metallplate blir plassert på toppen av gitteret og mekanisk forbundet med gitteret. Feste kan utføres ved å bruke sveising, for eksempel friksjonssveising, eller ved å bruke klebemidler, fortrinnsvis et termisk ledende klebemiddel, helst en sølv- eller aluminiumholdig epoksy.

Den laminerte strukturen blir skåret til riktig form, festehull 162 og festeslisser 162 blir maskineri. Så blir sidevegger plassert omkring sidene og også omkring festehullene, og festet til gitteret.

Det blir foretrukket at sideveggene 134 er i mekanisk kontakt også med sideveggene. Den mekaniske effekten er at sideveggene blir hindret fra å ekspandere utover når trykket øker.

I denne utførelsesformen bør sideveggene ha en termisk utvidelse som er sammenlignbar med den for gitteret for å unngå at gitteret knuses eller løsner fra den første eller den andre overflaten. Dette kan gjøres ved å bruke materialer med tilsvarende egenskaper, forspenning, profilering for å påføre en spesiell termisk utvidelse eller en kombinasjon av disse midlene.

Alternative utførelsesformer

Et antall variasjoner av det som er beskrevet ovenfor, kan tenkes. Den første og den andre overflaten kan for eksempel være formet på annen måte enn plan, for eksempel sylindrisk for å være egnet for feste til eksisterende rør.

Det blir foretrukket å bruke en termisk masse mellom de varmeabsorberende overflatene.

Frembringelse av tilstrekkelig og jevn fordeling av varmemasse er viktig for optimal varmeoverføring. Selv om manuell påføring av termisk masse forut for montering er en enkel løsning, er det ikke sikkert at det er tilstrekkelig. Først av alt må den ytre overflaten til stålskallet 8 ikke være så glatt og jevnt som den plane flaten til varmerøret. Videre kan det være nødvendig å tilføre mer, eller erstatte tapt varmemasse senere. En løsning er å tilveiebringe et langsgående spor 150 i den plane flaten og fortrinnsvis også et tilgangshull 152 til dette sporet for tilførsel av varmemasse under trykk gjennom hullet og inn i sporet, fortrinnsvis inntil varme-massen begynner å strømme ut gjennom et utgangshull 154. Det langsgående sporet kan være rett eller sikksakkformet. Effekten av dette er å forenkle påføringen av varmemasse og muliggjøre påfylling av varmemasse uten å måtte avbryte driften av cellen. Alternativt kan klebestoff eller termisk lim brukes.

Det er mulig å bruke en utførelsesform hvor sideveggene ikke er festet til gitteret. Spesielt når sideveggene er smale, det vil si at avstanden mellom den første og den andre overflaten er liten, er det totale arealet så lite at trykket utøver en kraft som påfører en ubetydelig deformasjon av sideveggen, slik at det er mulig å unngå bruk av et slikt festemiddel.

Industriell anvendbarhet

Oppfinnelsen ifølge søknaden finner anvendelse ved fjerning av varme fra store overflater som opererer ved høye temperaturer, hvor arbeidsfluidet når høye damptrykk. Et eksempel er fjerning av varme fra Hall-Héroult-celler for elektrolyse av aluminium. Et annet eksempel er fjerning av avløpsgasser fra industrielle prosesser, spesielt metallurgiske prosesser.

Claims (10)

1. Varmerørenhet (100) omfattende en varm ende (130) og en kald ende (110), hvor den varme enden videre omfatter en første overflate (134), en andre overflate (135), og minst én sidevegg (136), karakterisert vedat de første og de andre overflatene er i mekanisk kontakt med et gitter (138) som befinner seg mellom disse overflatene.

2. Enhet ifølge krav 1, hvor gitteret er forsynt med en vekevirkende overflate (139).

3. Enhet ifølge krav 1 - 2, hvor den kalde enden omfatter en kondenseringsenhet integrert med gitteret (138).

4. Enhet ifølge krav 3, hvor kondenseringsenheten er en intern kondenseringsenhet.

5. Enhet ifølge krav 3, hvor kondenseringsenheten er en ekstern kondenseringsenhet.

6. Enhet ifølge krav 1, hvor den første overflaten er innrettet for å bli mekanisk festet til en overflate som skal avkjøles.

7. Enhet ifølge krav 6, hvor varmerørenheten er forsynt med festemidler (160).

8. Enhet ifølge krav 7, hvor festemidlene (160) er minst ett festehull (162) gjennom den første overflaten, den andre overflaten og gitteret.

9. Enhet ifølge krav 7, hvor festemidlene (160) er minst én festesliss (164) i det minste delvis gjennom den første overflaten, den andre overflaten og gitteret nær en sidevegg (136).

10. Enhet ifølge krav 1 - 9, hvor den minst ene sideveggen er i mekanisk kontakt med gitteret (138).