DE2614061A1 - Gasgesteuerter waerme-thermostat hoher praezision - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49

BERLIN : DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY

Europäische Atomgemeinschaft _{Berlin den 3O Mär7} I₉₇₆ (EURATOM) Benin, den JO. März ±y/b

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Gasgesteuerter Wärme-Thermostat hoher Präzision

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BERLIN: TELEFON (03O) 8 31 2O88 MÜNCHEN: TELEFON (O811) 22 55 85

KABEL: PROPINDUS -TELEX 01 84O57 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24 244

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Die Erfindung betrifft gasgesteuerte Wärmekammern, die auch als "Wärmeröhren-Thermostate" bezeichnet werden.

Bekanntlich überträgt die praktisch isotherme Wärmeröhre latente Verdampfungswärme einer Flüssigkeit aus einer Verdampfungszone in eine Kondensationszone. Dabei wird im Innern der Röhre ein Zweiphasenkreislauf aufrechterhalten wobei z.B. Kapillarkräfte die jnder Kondensä tionszone kondensierte Flüssigkeit in die Verdampfungszone zurückleiten,

Das Prinzip der Wärmeröhre ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt (USA-Patent 235 03^8). Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Wärmeröhren in Thermostatsystemen zu verwenden (Luxemburgisches Patent 57 482). Dabei wird die Wärmeröhre mit einem Gasdruckregelsystem, z.B. einem unter konstantem Druck stehenden Gasreservoir, gekoppelt und zwar derart, dass sich in der Ubergangszone nur eine relativ dünne Mischzone zwischen Dampf und Gas einstellt. Unter diesen Umständen bewirkt eine Veränderung der in der Verdampfungszone zugeführten Wärme eine Verschiebung der Ubergangszone und somit eine entsprechende Ände- ' rung der wärmeabgebenden Fläche.

Im Idealfall ist bei solchen Geräten der Zusammenhang zwischen dem Druck des Kontrollgases und der Temperatur der Rohre durch die Dampfdruckkurve der verwendeten Arbeitsflüssigkeit gegeben. In der Praxis gibt es eine Anzahl Effekte, die Abweichungen von diesem idealen Zusammenhang bewirken. Einer dieser Effekte ist die Anwesenheit von Kontrollgas im Dampf der Arbeitsflüssigkeit, die vor allem dadurch zustande kommt, dass sich Kontrollgas im Bereich hohen Gas-Partialdruekes in der Arbeitsflüssigkeit auflöst, sodann mit der Arbeitsflüssigkeit in den geheizten Teil der Wärmeröhre gelangt und von dort bein Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit in den Dampf übergeht. Die Folge davon ist, dass (bei einem fest vorgegebenen Kontrollgasdruck) die Sättigungstemperatur des Dampfes und damit die Temperatur der Wärmeröhre absinkt, und zwar um so stärker, je grosser der Gas-Partialdruck im

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Dampf ist.

Da der beschriebene Gaslösungseffekt von den konstruktiven Einzelheiten der Wärmekammer und deren Betriebszustand abhängt und kaum gesetzmässig erfasst und vorhergesagt werden kann, muss die resultierende TemperaturabSenkung generell als eine Unsicherheit im absoluten Temperaturniveau der Kammer angesehen werden.

Der Erfindung'liegt die Aufgabe zugrunde diese Temperaturunsicherheit zu beseitigen oder wenigstens weitgehend zu vermindern. "|

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Nutz-Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf der Wärmeröhre von dem Kontrollgas durch einen Hilfs-Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf getrennt wird wobei beide Kreisläufe vorteilhaft eine gemeinsame Verdampfungszone besitzen. Das Prinzip der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figur 1 erläutert.

In der schematische Darstellung bezeichnet 1 eine gasgesteuerte Wärmekammer mit der Übergangszone 2 zwischen Dampf B¹ und Kontrollgas 3, dessen Druck über ein Gasdruckregelsystem 4 konstant gehalten wird. Durch Zufuhr von Wärme in der Verdampfungszone H entstehen zwei Verdampfungs-Kondensat ionskreisläufe, nämlich der Hauptkreislauf A-B-A in dem sich eine zu temperierende Kammer 5 befindet, und der HilfsKreislauf A'-B'-A', der direkt an die Ubergangszone 2 grenzt und letztere von dem Hauptkreislauf A-B-A trennt. Das in den Kühlzonen K resp.. K¹ verflüssigte Arbeitsmittel wird gemäss den Pfeilrichtungen über Kapillarstrukturen 6 resp. 6' in die Verdampfungszone H zurückgeführt.

Der Hilfs-Kreislauf A'-B'-A' enthält eine gewisse Menge Kontroll· gas durch.Lösung in den Bereichen 2, 3 hohen Gas-Partialdruckes. Der Kreislauf A-B-A, der die zu temperierende Kammer 5 umgibt, enthält jedoch sehr viel weniger Gas, da in der Kondensationszone dieses Kreislaufes kein Gaspuffer vorhanden und somit kein Gas gelöst werden kann.

Gas gelangt in den Kreislauf A-B-A nur durch Diffusion aus dem 609 8 42/0 338

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Kreislauf A'-B'-A¹. Dieses Gas wird in der Kondensationszone 7 angesammelt und führt dort zum allmählichen Aufbau eines Gas-Part ialdruckes. Dieser Aufbau geht, wie die Erfahrung zeigt, sehr langsam vor sieh (über Tage) und kann z.B. durch gelegentlichen (z.B. automatischen) Gasablass über das Ventil 8, z.B. in eine Unterdruckkammer 9» vermieden werden. Ein Gasablass ist insbesondere beim Start der Wärmeröhre nötig, da hierbei ein grösserer Teil des im kalten Zustand gleichmässig in der Wärmeröhre verteilten Gases durch die einsetzende Dampfzirkulation in der Kondensationszone 7 eingeschlossen wird.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Gasablass auch zum Innern der Wärmeröhre hin erfolgen. Dazu wird die Kühlzone K vorübergehend beheizt, wodurch sich die Zirkulationsrichtung des Kreislaufs A-B-A umkehrt und das bei 7 vorhandene Gas in den Kreislauf A'-B'-A¹ und von diesem weiter zum Kontrollgaspuffer 3 gespült wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Anordnung eines beidseitig offenen dünnen Röhrchen 10 im Dampf der Wärmeröhre, das in der Zone 7 beginnt und an einer Stelle im Dampf des Kreislaufes A'-B'-A¹ endet, wo der Druck etwas aledriger ist als in ' der Zone 7· Eine solche Stelle kann z.B. dadurch geschaffen werden, dass die Querschnitte der Dampfkanäle und/oder die Grosse der abgeführten Wärmemengen in den Kreisläufen A-B-A bzw. A'-B'-A' so gewählt werden, dass der Druckabfall von A¹ nach B' grosser ist als der Druckabfall von A nach B. Dadurch erfolgt ein ständiger geringer Dampfstrom von der Zone 7 bis in den Bereich B¹, der jede nennenswerte Gasansamm- ; lung in der Zone 7 unterbindet. Der durch diesen Nebendampfstrom auftretende Verlust an Arbeitsflüssigkeit in der Zirkulation A-B-A wird durch Zufluss von Arbeitsflüssigkeit in der Kapillarstruktur von A' nach A automatisch ausgeglichen. Da dieser Zufluss jedoch aus gasverunreinigter Flüssigkeit des Kreislaufes A'-B'-A' besteht, soll er möglichst klein gehalten werden, d.h. der Strömungswiderstand des

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Röhrchens 10 ist'so gross zu wählen, dass gerade keine wesentliche

Gasansammlung in.der Zone 7 mehr auftritt, oder anders ausgedrückt, dass keine wesentliche Temperaturabsenkung in der Zone 7 mehr feststellbar ist (da nämlich eine Gasansammlung, wie bereits erwähnt, zu einem Absinken der Temperatur führt).

Beispiel!

Das Funktionieren der erfindungsgemässen Anordnung wurde durch Messen der axialen Temperaturverteilung in einer Wärmeröhre aus Kupfer mit Wasser als ArbeitsflUssigkeit und Argon als Kontrollgas, bestätigt. Die Röhre hatte eine Länge von 50 cm und einen Dampfkanaldurchmesser von 1,2 cm. Die Temperaturverteilung wurde in einem beidseitig offenen und axial in der Wärmeröhre angebrachten Rohr, Aussendurchmesser 0,5 cm, mit Hilfe von Platinwiderständen gemessen (Messempfindlichkeit ungefähr

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10 C/cm). Die Kapillarstruktur bestand aus einem Drahtgeflechtwickel auf der äusseren Röhre und einem Gewinde auf dem Innenrohr. Die Kurve nach Figur 2 zeigt die Temperaturabweichungen T-To⁰C, wobei To=IOO⁰C die theoretische Verdampfungstemperatur des Wassers ist, über der Rohrlänge. Mit H/ K und K¹ sind in Analogie mit Fig. 1 die Verdampfungszone sowie die beiden KUhlzonen angegeben. In der Wärmeröhre finden also zwei Kreisläufe statt und zwar HKH (Nutzzone) nach links und HKΉ (Hilfszone) nach rechts, von der Verdampfungszone aus gesehen. Die Hilfszone steht in direktem Kontakt mit dem Kontrollgas. Die Messungen, die nach Einfahren der Wärmeröhre im stationären Zustand erfolgten zeigen,beidseitig der Verdampfungszone, zwei Zonen konstanter Temperatur wobei in der Nutzzone eine deutlich höhere Temperatur zu beobachten ist, die auf den geringeren Gasgehalt des dort zirkulierenden Dampfes zurückzuführen ist. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Temperatur in der Nutzzone länger konstant blieb als in der Hilfszone.

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Claims (1)

1. O C 1 / Π C 1 PATENTANSPRÜCHE

   ■Ο*

   1 ^Gasgesteuerter Wärmeröhren-Thermostat hoher Präzision in dessen Wärmeröhre zur thermostatischen Nutzung ein Verdampfungs-Kondensationskreislauf aufrecht erhalten wird, wobei das Kontrollgas eines Qasdruckregelsystems eine mit der Röhre in Verbindung stehende Pufferzone bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutζ-Verdampfungs-Kondensationskreislauf von dem Kontrollgas durch einen Hilfs-Verdampfungs-Kondensationskreislauf getrennt ist.

   2° Gasgesteuerter Wärmeröhren-Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzkreislauf und der Hilfskreislauf eine gemeinsame Verdampfungszone besitzen.

   3 Gasgesteuerter Wärmeröhren-Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationszone des Nutzkreislaufs über ein Ventil mit einer Niederdruckkammer in Verbindung steht zum gelegentlichen, vorzugsweise automatischen Gasablass über das Ventil.

   4° Gasgesteuerter Wärmeröhren-Thermostat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein beidseitig offenes dünnes Röhrchen das die Kondensationszone des Nutzkreislaufs mit einer Stelle niedrigeren Kontrollgaspartialdruckes im Hilfskreislauf verbindet.

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