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Die
Probleme P1 bis P5 werden durch die im folgenden beschriebene Erfindung
gelöst.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels in Zeichnung
1 beschrieben werden.
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Die
Heatpipe besteht aus zwei parallel in einem definierten Abstand
zueinander liegenden Folien (4), die an ihren Rändern miteinander
verbunden sind und den Innenraum der Heatpipe gasdicht abschließen. Die
beiden Folien bilden die Heatpipewände. Der Innenraum der Heatpipe
ist über
ein Befüllrohr
(1) zugänglich,
durch dass der Wärmeträger in die
Heatpipe eingefüllt
wird und nichtkondensierbare Gase aus dem Innenraum der Heatpipe
entfernt werden. Zwischen den beiden Folien befindet sich eine Kapillarstruktur
(5) (6), die aus mehreren porösen Materialschichten mit unterschiedlichem
Porendurchmesser besteht. Die Kapillarstruktur sorgt im Normalbetrieb
der Heatpipe für
einen definierten Abstand der gegenüberliegenden Heatpipewände zueinander.
Da die Belastung der Heatpipe durch den äußeren Atmosphärendruck
durch die Kapillarstruktur über
die gesamte Fläche
verteilt aufgenommen wird, besitzen Folien die nötige Stabilität um der Druckdifferenz
zwischen Atmosphäre
und Dampfdruck des Wärmeträgers standzuhalten.
Dadurch kann Material für
die Heatpipewände
eingespart werden und die Dicke der Heatpipe wird verringert. Die Schichten
der Kapillarstruktur mit dem kleinsten Porendurchmesser (4)
befinden sich im Betriebszustand der Heatpipe in engem Kontakt mit
den Heatpipewänden.
Die nötige
Druckkraf für
den Kontakt zwischen der Kapillarstruktur (5) und den Heatpipewänden (4)
wird durch die resultierende Druckkraft aus der Druckdifferenz zwischen
Atmosphärendruck
und Dampfdruck des Wärmeträgers erzeugt.
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Die
poröse
Kapillarstruktur besteht aus mehreren Schichten mit unterschiedlichem
Porendurchmesser. Die Schichten mit dem kleinsten Porendurchmesser
(5), in denen der flüssige
Wärmeträger fließt, befinden
sich an der Außenseite
der Kapillarstruktur und stehen im Betriebszustand der Heatpipe in
engem Kontakt mit den Folien. Zwischen den beiden Schichten mit
dem kleinsten Porendurchmesser befindet sich eine Schicht mit dem
größten Porendurchmesser
(6). In der innen liegenden Schicht mit dem größten Porendurchmesser
strömt
der gasförmige
Wärmeträger. Bedingt
durch die unterschiedlichen Porendurchemsser werden die flüssigen Anteile
des Wärmeträgers durch
Kapillarkräfte
in Richtung der Heatpipewände
transportiert. Es findet so eine eindeutige Trennung zwischen den
gasförmigen
und den flüssigen
Anteilen des Wärmeträgers statt.
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Der
in den Schutzansprüchen
der Patentschrift
DE 196 53
956 definierte Abstand beider Heatpipewände wird bei Überhitzung
der Heatpipe aufgehoben. In Zeichnung 2 ist die Heatpipe im normalen
Betriebszustand dargestellt.
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Steigt
der Dampfdruck des Wärmeträgers über den
Druck der Atmosphäre
außerhalb
der Heatpipe, so werden die Heatpipewände an beiden Seiten der Heatpipe
auseinander gedrückt.
Die Heatpipewände
stehen dann nicht mehr in Kontakt mit der Kapillarstruktur in der
Heatpipe und so auch nicht in Kontakt mit dem flüssigen Wärmeträger. Zwischen der Kapillarstruktur
mit dem flüssigen
Wärmeträger und
den Heatpipewänden
bildet sich ein mit gasförmigem
Wärmeträger gefüllter Spalt,
der einen thermischen Widerstand für den Wärmestrom von der Heatpipewand
in das flüssige
Wärmeträger bildet.
Auf diese Weise wird ein Überhitzungsschutz
realisiert. Der Kondensationsvorgang des Wärmeträgers wird durch den gebildeten
Spalt nicht beeinträchtigt. Zeichnung
3 zeigt die Heatpipe im Zustand des Überhitzungsschutzes. Die Pfeile
im Hohlraum zwischen Kapillarstruktur und Heatpipewänden symbolisieren den
erhöhten
Dampfdruck im Innenraum der Heatpipe.
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Die
Heatpipe wird bei der Herstellung evakuiert, indem nichtkondensierbare
Gase durch den gasförmigen
Wärmeträger aus
der Heatpipe hinausgespült
und auf diese Weise ausgetrieben werden. Dabei wird der Siedeteil
der Heatpipe so weit erwärmt, dass
der Dampfdruck des Wärmeträgers über den Atmosphärendruck
in der Umgebung der Heatpipe steigt. Dadurch strömt der Wärmeträger in Richtung des Befüllrohrs
(1) und drückt
alle nichtkondensierbaren Gase aus dem Innenraum der Heatpipe durch das
Befüllrohr
der Heatpipe in die umgebende Atmosphäre. Damit der gasförmige Wärmeträger nicht ebenfalls
durch das Befüllrohr
in die umgebende Atmosphäre
strömt,
muss er in unmittelbarer Nähe
des Befüllrohrs
kondensiert, und in den Siedeteil der Heatpipe zurückgeführt werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Temperatur der Heatpipe in
unmittelbarer Nähe
des Befüllrohrs
soweit gesenkt wird, dass der gasförmige Wärmeträger in unmittelbarer Nähe des Befüllrohrs
im Innenraum der Heatpipe kondensiert. Die Abkühlung der Heatpipe wird im
Ausführungsbeispiel
in Zeichnung 1 durch das Kühlrohr
(2) erreicht, dass sich in unmittelbarer Nähe zum Befüllrohr befindet.
Das Kühlrohr
wird von einem Kühlmittel durchströmt und ist
wärmeleitend
mit der Heatpipe verbunden. Durch das Kühlmittel im Kühlrohr wird
die Wärme,
die bei der Kondensation des Wärmeträgers frei
wird, aus der Heatpipe transportiert. Wenn das nicht kondensierbare
Gas aus dem Innenraum der Heatpipe ausgetrieben wurde und sich die
Grenze zwischen dem gasförmigen
Wärmeträger und
der Luft stationär
in unmittelbarer nähe
des Befüllrohrs befindet,
kann das Befüllrohr
gasdicht verschlossen werden.
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Stand der Technik
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Herkömmliche
flache Heatpipes bestehen aus einem flachen, verschlossenen Behälter. Im
Behälter
befindet sich ein Wärmeträger, das
teilweise im flüssigen
und teilweise im gasförmigen
Aggregatzustand vorliegt. Der Teil des Behälters, der beheizt wird, wird
im Betriebszustand der Heatpipe zum Siedeteil. Der Teil der Heatpipe,
der gekühlt
wird, wird im Betriebszustand der Heatpipe zum Kondensationsteil.
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Wird
der Siedeteil der Heatpipe beheizt, steigt die Temperatur des Absorbers
und mit ihr auch die Temperatur des Siedeteils der Heatpipe. Der Dampfdruck
des Wärmeträgers der
Heatpipe steigt im Siedeteil über
den Dampfdruck des Wärmeträgers im
Kondensationsteil. Dadurch strömt
der gasförmige Teil
des Wärmeträgers vom
Siedeteil in den Kondensationsteil und transportiert latente Verdampfungswärme vom
Siedeteil der Heatpipe in den Kondensationsteil. Im Kondensationsteil
kondensiert der gasförmige
Wärmeträger und
die Verdampfungswärme wird
frei. Die Temperatur des Kondensationsteils steigt über die
Umgebungstemperatur. Dadurch findet ein Wärmeaustrag in Umgebung der
Heatpipe statt. Der kondensierte, flüssige Wärmeträger in der Heatpipe fließt, getrieben
durch die Schwerkraft oder durch Kapillarkräfte wieder zurück in den
Siedeteil der Heatpipe, wo er verdampft wird.
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Das
Patent mit der Patent Nummer
DE
197 02 080 beschreibt einen Heatpipe-Kollektor. Die Heatpipe wird aus einer
Wellblechplatte und einer ebenen Schließplatte gebildet, die an ihren
Rändern
miteinander stoffschlüssig
verbunden sind. Wellblech und ebene Schließplatte bilden parallel verlaufende Kanäle, die
eine Reihe nebeneinander liegender Heatpipes bilden. Die Wärme wird
durch ein Rohr abgeführt,
welches mit dem Wärmeträgerkreislauf
der Solaranlage verbunden ist und alle Heatpipekanäle durchdringt,
und hydraulisch nicht mit den Heatpipekanälen verbunden ist.
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Das
Patent mit der Nummer
DE 196
53 956 beschreibt eine flache Heatpipe zur Kühlung elektronischer
Komponenten. Die Heatpipe besteht aus zwei ebenen Platten, die sich
in einem definierten Abstand zueinander befinden und an Ihren Rändern miteinander
verlötet
sind. Zur Schaffung eines definierten Abstandes zwischen den Platten
befindet sich eine stützende
Struktur, die Hohlräume
enthält,
so dass der flüssige
und gasförmige
Wärmeträger durch den
Innenraum der Heatpipe strömen
kann.
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Das
Patent mir der Nummer
DE 197
14 774 beschreibt ein Verfahren zum Verschließen von
Heatpipes. Der Innenraum der Heatpipe wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe über das
Befüllrohr
der Heatpipe evakuiert. Innerhalb des Befüllrohrs befindet sich ein Lot.
Das Befüllrohr
wird durch einschnürendes Quetschen
verschlossen. Der verbleibende Restquerschnitt wird durch das Lot
ausgefüllt.
Damit sich das Lot stoffschlüssig
mit dem Befüllrohr
verbindet, wird das Befüllrohr
an der gequetschten Stelle über den
Schmelzpunkt des Lots erwärmt.
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Peterson
beschreibt in seinem Buch eine flache Heatpipe (Ogushi, 1988), deren
gegenüberliegende
Heatpipewände
durch Rippen im Innenraum der Heatpipe in einem definierten Abstand
voneinander fixiert werden. Als Kapillarstruktur werden Kerben in
den Heatpipewänden
verwendet.
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G.
P. Peterson: An Introduction to Heat Pipes. John Wiley & Sons, inc. New
York, 1994. Seite 308
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Problemstellung
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Herkömmliche
Konstruktionen bringen einige Probleme mit sich, die im Folgenden
beschrieben werden sollen:
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P1:
Werden mehrere nebeneinander liegende Heatpipes verwendet um zum
Beispiel ein großflächigen Solarabsorber
zu kühlen,
so muss jede Heatpipe einzeln hergestellt, evakuiert und verschlossen werden.
Eventuell fallen für
jede Heatpipe auch noch Arbeit für
die Verbindung mit einer Absorberfläche an.
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P2:
Herkömmliche
Heatpipes benötigen
eine gewisse Festigkeit, um den auftretenden Druckkräften bedingt
durch die Druckdifferenz zwischen Wärmeträger und der umliegenden Atmosphäre zu widerstehen.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Wände der Heatpipes von ausreichender
Dicke sind, was einen hohen Materialverbrauch zur Folge hat.
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P3:
Steigt die Temperatur einer Heatpipe bei verringerter Wärmeabnahme
im Kondensationsteil, so steigt auch der Dampfdruck des Wärmeträgers in der
Heatpipe und so auch die mechanische Belastung der Heatpipewände durch
die auftretenden Druckkräfte.
Bei Überschreitung
der zulässigen
mechanischen Belastung der Heatpipewände kommt es zur Beschädigung der
Heatpipe. Dieser Vorgang wird als Überhitzen der Heatpipe bezeichnet.
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P4:
Die eindeutige Trennung der Strömungswege
von den flüssigen-
und von den gasförmigen Anteilen
des Wärmeträgers sind
bei Heatpipes in der Patentschrift
DE
196 53 956 nicht gegeben. Dadurch kann unter Umständen die
Funktion der Heatpipe vor allem im Kondensationsteil lokal beeinträchtigt werden.
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P5:
Beim Verschließen
der Heatpipe muss verhindert werden, dass Luft aus der umgebenden Atmosphäre in in
den evakuierten oder durch den Wärmeträger ausgespülten Innenraum
der Heatpipe gelangt. Bei herkömmlichen
Verfahren wird das Befüllrohr
der Heatpipe deshalb verschlossen, während das Befüllrohr der
Heatpipe noch an einer Vakuumpumpe angeschlossen und der Innenraum
der Heatpipe von der umgebenden Atmosphäre getrennt ist.