DE2028651A1

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Info

Publication number: DE2028651A1
Application number: DE19702028651
Authority: DE
Original assignee: Sanders Associates Inc
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1969-10-08
Filing date: 1970-06-10
Publication date: 1971-04-15
Also published as: JPS4923929B1; FR2101166A1; GB1315198A; US3613774A; FR2101166B1

Description

DIPl ING. KLAUS BEHN

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

a MÜNCHEN 22 WIDEN MAYERSTRASSE B TEL. (OB11) 22 2E30-29E1 92

Unsere Zeichens A 17970 /Do 9_e j_Uni 1970

Firma SAEDERS ASSOCIATES, INC₀, Daniel Webster Highway, South,Nashua, Hew Hampshire, U.S₀A₀

In eine Richtung wirkende Wärmeübertragungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmeübertragung und, insbesondere, eine gerichtete Wärmeleitung«)

Die Wärmeleitung ist eine zweiseitig wirkende Wärmeübertragungsvorrichtung, die von der Schwerkraft verhältnismäßig unabhängig ist, und die große Wärmemengen mit einem sehr geringen Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmeumwandlungsvorrichtung übertragen kann. Im wesentlichen weist die Wärmeleitung eine geschlossene, luftleere Kammer auf, deren Innenwände von einer Kapillarstruktur ausgekleidet sind, im allgemeinen

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mit einem flüchtigen Stoff gesättigten Docht. Der flüssige Stoff des Dochts verdampft an einem Ende der Wärmeleitung befindlichen Verdampferteil und kondenä&art dann in den flüssigen Stoff zurück, in einem,sich am gegenüberliegenden Ende befindlichen Kondensatorabschnitt.Der Übertragungskreis wird durch die.Kapillarkraft geschlossen, welche die kondensierte Arbeitsflüssigkeit in den Verdampferteil zurück befördert. Die Wärmeleitung ist im allgemeinen zwischen einer gegebenen Wärmequelle mit bestimmten Wärmestrom und einer unendlichen Wärmeumwandlungsvorrichtung bei einer gegebenen Temperatur eingefügt. Diese Einrichtung hat sich zufriedenstellend in vielen Ausführungsbeispielen erwiesen, in denen die Wärmeumwandlertemperatur natürlicherweise niedriger als die der Wärmequelle ist, oder wo Temperaturunterschiede durch künstliche Mittel aufrechterhalten werden können. Es gibt zahlreiche Anwendungsfälle, wobei die Merkmale eines zweiseitigenirkenden Wärmeübertragers der Wärmeleitung keineswegs erwünscht sindo Ein spezielles Beispiel der Nachteile ist in der Kühlung der elektronischen Anlage des Schnellflugzeugs vorhanden. Bei hohen MACH-Zahlen wird die Außenfläche des Flugzeugs aerodynamisch, erwärmt und nimmt dadurch Wärme in die Anlage auf, die durch die Wärmeleitung gekühlt werden solle

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Es ist eine vordringliche Aufgabe der Erfindung.eine^ in eine Richtung wirkende Anlage zur Wärmeübertragung zu schaffen, ,

Es ist eine weitere Aufgabδ.einen Apparat zu schaffen, der die oben beschriebenen Merkmale unter Anwendung der Wärmeströmungsprinzipien aufweist· · Außerdem soll der erfindungsgemäße Apparat im Betrieb von der Schwerkraft abhängen.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß i dadurch gelöst, indem eine evakuierbare Röhre angebracht wird, deren Innenflächen mit Ausnahme des Wärmeauslasses oder Kondensatorabschnitts mit einem dochtartigen Material bedeckt ist. Die dem Verdampfer zugeführte Wärme erzeugt die Verdampfung einer aus dem Docht verdampfungsfähigen Flüssigkeit und der Dampf geht dann vom Verdampfer durch ein geringes Druckgefälle zum Kondensator. Die Abgabe der latenten Verdampfungswärme an dem Kondensator bewirkt die Kondensation des Dampfs.und das Kondensat kehrt dann durch die

Schwerkraft in die Umgebung des Dochts zurück, wodurch es zum Verdampfer zurückgebracht wird und so der Arbeitszyklus geschlossen ist. Da an das Wärmeauslassende der Vorrichtung kein dochtartiges Material angebracht ist, kehrt der Auslass den erfindungsgemäßen Vorgang nicht um,und der Wärmerückfluß in den zu kühlenden Gegenstand wird unterbunden· ·

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Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der •Erfindung beispielweise dargestellt.und zwar zeigen?

Figo 1 einen schematischen Querschnitt einer in einer Richtung wirkenden erfindungsgemäßen Wärmeleitung ₉

Figo 2 eine graphische Sarstellung der Wärmeleitfähigkeit nach vorwärts und rückwärts der in Figo 1 gezeigten Vorrichtung,

figο 3 einen Querschnitt durch eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführumgsformj die sich zur Kühlung von Einrichtungen im Bereich der Luftfahrt eignet.

Die Erfindung ist in ihrer grundlegenden form in Mg· 1 schematiseh dargestellte Sin geschlossener» luftleerer Behälter 10 hat ein© docixtartiga Kapillarstruktur 12, welche an der Innenseite des Verdampfers oder des Wärmeeingangsende angebracht ist» Eine durchlöchert© Metallplatte hält den Docht 12 in seiner Stellung und läßt trotzdem die Verdampfung einer verdampfiangsfähigen Flüssigkeit zu« Mit AusnahmeAxder Oberflächen des Wärmeeingangs bzw» des Wärmeausgangs 16 j, 18 kann die Vorrichtung mit einer Schicht 20 aus einem" isolierenden Material bedeekt SeIn₉ mm die Wärmeübertragung auf diese Gebiete zu verhindern«· In der Mehrzahl der Anwendungen ist diese Isolierung nicht erforderlich und für den eigentlichen Betriebsablauf nicht unbedingt notwendig· ;;

Wenn an die Wärmeeingangsfläche 1 β lärme zugeführt wird, dann verdampft die Flüssigkeit im Docht 12_/und die

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Dämpfe 22 bewegen sich, durch ein geringes Druckgefälle kühleren
zurHirärmeabgabef lache 18. Die Wärmeabgabe an der Wärmeabgab.ef lache 18 läßt den Dampf kondensieren und das Kondensat 24 geht durch die Schwerkraft zu dem Docht 12 zurück, der einen Weg darstellt, auf dem die kondensierte Arbeitsflüssigkeit zum Wärmeeingang oder zum Verdampfer durch die Kapillarkraft zurückgelangte

Jedoch, stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen hohen Widerstand dem Wärmestrom entgegen, wenn die Wärmeabgabefläche 18 eine höhere Temperatur als die Eingangsfläche 16 hat. Da Dampf ein schlechter thermischer leiter ist, findet jede Wärmeübertragung in der Gegenrichtung von der Wärmeabgabe 18 zum Wärmeeingang 16 nur sehr langsam statt. Der ausgeprägte Unterschied der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseigenschaften in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ist graphisch dargestellt in der fig·2 · Diese Daten wurden bei Versuchen des in Fig. 1 gezeigten, erfindungsgemäßen Apparats ermittelt. Die in Fig. 2 gezeigten durchgehenden Linien stellen die Oberflächentemperatur der Wärmeeingangs- und der Wärmeabgabeflächen 16 und 18 dar, in Abhängigkeit der Betriebszeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in die Vorwärtsrichtung. Der Temperaturunterschied zwischen der Wärmeeingangs- und der Wärmeabgabefläche betrüg ca. 33 Grad. Die Wärmeabgabeflä-

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ehe war auf Sättigungstemperatur, während die Eingangstemperatur verhältnismäßig höher lag, denn um die Arbeitsflüssigkeiten zum Sieden zu bringen ,^-werden Temperaturen, die über der Sättigung liegen, benötigt» Sin großer Teil dea Temperaturunterschieds läßt sieh jedoch ausscheiden, indem ein verbesserter Kontakt zwischen der Kapillarstruktur und dem Behälter, wie etwa durch eingeformte Nuten in den Innenwänden des Behälters als Kapillar« struktur geschaffen wirde Die gestrichelten linien in Fig, 2 stellen den hohen Widerstand dar, durch den die erfindungsgemäße Vorrichtung den Wärmefluß entgegenkehrt _o Die Wärmeabgabefläche 18 wurde bis kaapp unter den Schmelzpunkt des Lots erwärmt, mit dem ein Versuchsthermoelement an die Oberfläche angelötet war, und die Wärmeeingangsflache 16 zeigte dabei einen unbedeutenden Temperaturanstieg.

Figo 3 ist eine perspektivische Darstellung mit weggebrochenen Teilen einer erfinduhgsgemäßen Ausführungs« form, die sich besonders gut zur Kühlung von Vorrichtungen der Luftfahrt in Schnellflugzeugen eignet. Die Ausführungsform kann zwei zusammengesetzte Wärmeüberträgungsanordnungen umfassen. Zur ersten Anordnung, von der 50 und 32 dargestellt ist, gehört ein starrer, geschlossener Verdampfer« behälter 34, dessen Innenflächen mit einem Docht 36 b@*= deckt sind. Eine Anzahl von flexiblen Dochtstücken. 38 sind

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mit Wärmeumwandlungskanälen 40 verbunden, die mit einem doehtartigen Material ausgek&Mdet und der Längsrichtung .nach angebracht sind, doch"durch einen Verdampfungsraum 58 von der Oberfläche des doppelwandigen Behälters 42 bzw. der Außenfläche eines Flugzeugs isoliert sind, in dem · bzw. in der sich die zu kühlende elektronische Vorrich-

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tung befindet <■ Die Wärmeübertragungsanlagen 30 und 32 sind zwischen den Platten 46 und 48 angebracht, die wiederum an die Innenwand 50 des doppelwandigen Behälters durch eine Anzahl von Halterungen 52 befestigt sind. Die Außenfläche der Innenwand 50 ist mit einem geeigneten doehtartigen Material 54 versehen und von der Außenwand 56 des Behälters 42 durch einen Verdampfungsraum 58 getrennt, womit die zweite bzw_o äußere Wärmeübertragungsanlage geschaffen ist«

Im Betrieb bei Fluggeschwindigkeiten bei der die Temperatur der Außenwand 56 niedriger als die ' Betriebstemperatur der elektronischen Teile 44 ist, wird Wärme aus den Teilen an ihrer Grundplatte entzogen, die eine verdampfungsfähige Arbeitsflüssigkeit aus dem Docht 32 des ersten bzw· inneren Wärmeübertragungssystems zum Verdampfen bringt. Die Dämpfe werden dann unter einem geringen Druck durch die flexiblen Teile 38 in die Wärme- " Umwandlungskanäle 40 geleitet. Die Dämpfe geben ihre Verdampfungswärme in den Umwandlungskanälen ab, kondensieren

und kehren durch die Schwerkraft in die flexiblen Dochtstücke 38 zurück, wo der schwerkraftsbedingte Rückfluß dann durch die Kapillarwirkung zu dem Verdampferbehälter verstärkt wird. Die Bewegung der Dämpfe von den biegsamen dochtartigen Stücken 38 zu den Umwandlungskanälen 40 erzeugt so die Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit aus den oberen Teilen des Dochts 54. Dieser Dampf bewegt sich dann über den Verdampfungsraum 58 und kondensiert an der Innenfläche der Außenwand 56 des doppelwandigen Behälters 42. Auf diese Weise wird Wärme an die äußere Umgebung abgegeben,und· das Kondensat fließt durch die Schwerkraft auf den Boden des Verdampfungsraums 58 und wird durch den Docht 54 mit Hilf e der Kapillarwirkung zum Ver·» dampfungsbereich zurück gebracht» In einer abgewandelten Ausführungsform können die biegsamen,, dochtartigen Stücke lediglich an den Docht 54 angrenzen. In einer solchen Einrichtung müßten die Dämpfe durch die flexiblen Stücke 38 in den Verdampfungsraum 58 gelangen und an des Innenfläche der Außenwand 56 kondensieren.

Wenn sich die Fluggeschwindigkeit so weit erhöht, daß die Temperatur der Außenwand 56 die der elektronischen Teile 44 übersteigt, dann wirkt die äußere Wärmeübertragüngsanordnung wie eine thermische Diode. Da sich sehr wenig Flüssigkeit an der Innenfläche der Außenwand 56 befindet, muß die Wärme um die Innenwand 50 des Behälters

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zu erreichen, durch den Verdampfungsraum durch Wärme- · leitung und Konvektion übertragen werden. Wie bereits in Fig. 1 und 2 erläutert, ergibt dies der im Inneren angebrachten elektronischen Einrichtung einen viel langsameren Temperaturanstieg. Die vollen Abschnitte 60 und 62 des Behälters 42 sind zur strukturellen Festigkeit des Aufbaus des Flugkörpers, der mit Luft umgeben ist, erforderlich, doch sind seine Wärmeübertragungseigen« I

schäften nicht besonders bedeutungsvoll,.wenn er mit der in einer Richtung wirkenden Kühlung verglichen wird, die von einer sehr wirksamen, doppelwandigen thermischen Diode aus dem übrigen Teil des Behälters versorgt wird«,

Die erfindungsgemäße in einer Richtung wirkende Wärmeübertragungsanlage basiert auf WärmeStrömungsprinzipien. Die erfindungsgemäße Vorrichtung leitet sehr wirksam Wärme in eine Richtung doch stellt sie,dem Wärmefluß in der gegenüberliegenden Richtung einen hohen Widerstand entgegen.

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Claims

PATENTANSPEtJOHE

1 o/ln eine Richtung wirkende Wärmeübertragungsvorrichtung^. gekennzeichnet durch eine geschlossene, evakuierfeare Kam« mer (10), mit einem Verdampferteil (34-) und einem Kondensat orteil, durch eine verdampfungsfähige Arbeitsflüssig-» keit in dieser Kammer (10), und durch eine Kapillarstruk« tür (12) an den Innenwänden der Kammer, mit Ausnahmedes Kondensatorteils, wobei die den Verdampferteil (54) beaufschlagende Wärme durch Verdampfungsübertragung zum Kon— densatorteil geleitet wird, und die den Kondensatorteil beaufschlagende Wärme daran gehindert wird, zum Verdampfer-» teil(34) übertragen zu werden»
2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch1 dadurch. gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) ein Docht ist, der mit der Kammer in Wärmeübertragungsverbindung steht.

3· Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1^dadurch, gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (12) eine Anzahl von Nuten, die in die Wände der Kammer eingeforat aufweist«»

4 ο Wärmetibertragungsvorrichtung nack Anspruch 1 gekennzeichnet, daß die Kapillaretraktor (12) vom'Verdampfer«

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teil (34) bis zu einem bestimmten Punkt unter dem Kondensatorteil reicht, wobei "das Kondensat (24) am Kondensatorteil durch die Schwerkraft zur Kapillarstruktur (12) fließt, · *

5· Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Befestigungselemente (52) die elek- | tronischen Teile (44) haltern, die in Wärmeübertragungsverbindung mit dem Verdampf erteil (34) der Kammer stehen«,

6β Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch5/ dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferteil (34) der Kammer eine dochtartig ausgekleidete feste Kammer (10) und eine flexible dochtartige 2elle aufweist, die so eine durchgehende Kammer bildet» daß der Kondensatorteil einen doppelwandigen Behälter (42) mit einem zwischen seinen Wänden liegenden Verdampfungsraum (58) aufweist, wobei an der Außenfläche der Innenwand (50) ein dochtartiges Material (54) angebracht ist, und die Außenfläche der Außenwand (56) in Wärmeübertragungsverbindung mit dem Wärmeumwandler (40) steht, und daß diese Teile außerhalb der festen Kammer (10) angebracht sind. "

7 β Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (58) an die Verdampfungskammer angrenzt.

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