DE4222340A1 - Wärmerohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Wärme, bestehend aus einem mit einem Wärmeträgerme­ dium gefüllten Wärmerohr, in dem wenigstens je ein Strömungskanal für das flüssige und für das in dem dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgerme­ dium vorhanden sind und bei dem ferner Mittel vorge­ sehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche Blasen in den Dampfkanal zu befördern.

Wärmerohre oder "heat pipes" für den Transport von Wärme sind, insbesondere aus dem Bereich der Raumfahrt­ technik bereits bekannt. Bei diesem wird auf der wärme­ abgebenden Seite eine Flüssigkeit, in der Regel Ammoniak, verdampft und der Dampf wird zur wärmeabgebenden Seite geleitet. Dort kondensiert der Dampf, wobei die in ihm gespeicherte latente Wärme an die Umgebung abgeführt wird, und das entstehende Kondensat fließt wieder zur wärmeaufnehmenden Seite, dem Verdampfer, zurück. Die dabei auftretende Dampf­ strömung ist eine normale Druckströmung, während die Flüssigkeitsströmung eine Kapillarströmung ist. Unter­ schiedliche Krümmungsradien der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf im Verdampferende einer­ seits und im Kondensatorende andererseits und die da­ durch hervorgerufenen Kapillarkräfte bewirken eine Druckdifferenz in Richtung Verdampferende, die die Strömung antreibt. Die sich einstellende Strömungsge­ schwindigkeit ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen dem Druckverlust aufgrund von Reibungskräften und der wirksamen Druckdifferenz der Kapillarkräfte.

Moderne Hochleistungswärmerohre sind in der Lage, auch bei vergleichsweise geringen Temperaturdifferenzen, Wärmemengen in der Größenordnung von etwa 1 kW über Entfernungen zwischen einem und etwa 20 Metern zu transportieren.

Diese im Vergleich zu konventionellen Wärmerohren höhere Leistung der Hochleistungswärmerohr wird dadurch erzielt, daß für den Transport der Flüssigkeit Kanäle unterschiedlicher Abmessungen verwendet werden: Während im verdampfungsbereich eine Vielzahl sehr kleiner Kanäle mit Kapillargeometrien verwendet wird, um große treibende Kapillarkräfte zu erzielen, erfolgt die Strömungsführung im Kondensatorbereich sowie in der Transportzone über nur wenige Strömungskanäle, gegebe­ nenfalls einem einzigen Kanal mit relativ großem Durch­ messer, der auch als Arterie bezeichnet wird. Auf diese Weise wird der reibungsbedingte Druckverlust minimiert und es ergibt sich bei gleichen Kapillarkräften ein wesentliche größerer Fluidmassenstrom und als dessen Folge ein ebenfalls wesentlich höherer Wärmestrom.

Ein wesentliches Problem beim Betrieb derartiger Hoch­ leistungswärmerohre liegt darin, daß ihre Funktion er­ heblich beeinträchtigt bzw. ganz unterbrochen werden kann, wenn sich Blasen aus dem Dampf des Wärmeträger­ fluids oder aus gasförmigen, nicht kondensierbaren Fremdstoffen in der Arterie befinden. Diese können sich entweder bereits bei der Inbetriebnahme des Wärmerohres zufällig dort befunden haben, sie können aber auch durch eine betriebsbedingte Überlastung des Wärme­ rohres, beispielsweise eine Überhitzung am Verdampfer­ ende bei kurzzeitiger Austrocknung der Verdampfungs­ zone, entstanden sein. Die Blasen können den Transport des Wärmeträgerfluids zur wärmeaufnehmenden Zone unter­ brechen, so daß diese weiter austrocknet und das Wärme­ rohr in seiner Funktion blockiert wird.

In der Literaturstelle Heat Pipe Design Handbook, Volume 1, B & K Engineering Inc., Towson, Mary­ land 21204, USA, Seiten 149 und 152, sind deshalb zwei Wärmerohre beschrieben, bei denen Maßnahmen zur Ent­ fernung von Blasen und damit zur Vermeidung von Blockaden durch Glasblasen vorgesehen sind. Diese Maß­ nahmen bestehen in einem Fall aus einer Anordnung mit Entlüftungsbohrungen in der Wand zwischen der Arterie und dem Dampfkanal, im anderen Fall aus einer Ventildüse, die im Transportbereich für den Dampf angeordnet ist und die zugleich als Strahlpumpe über ein Ansaug­ rohr in der Arterie vorhandene Gasblasen absaugt.

Nachteilig bei einer Anordnung von Entlüftungslöchern in der Arterienwand ist der Umstand, daß während des Betriebes des Wärmerohrs der Druck im Dampfkanal we­ sentlich höher als in der Arterie ist, so daß zur Überführung von Gasblasen aus der Arterie in den Dampf­ kanal eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist. Da dann aber die Entlüftungsbohrungen von Flüssigkeits­ brücken blockiert sind, die zunächst verdampfen müssen bevor die Gasblasen hindurchtreten können, erfordern diese Betriebspausen einen vergleichsweise langen Zeit­ raum, bevor das Wärmerohr wieder einsatzbereit ist.

Die Anordnung einer Venturidüse im Dampfkanal hat ande­ rerseits den folgenden Nachteil: Befindet sich keine Gasblase im Ansaugbereich der Düse, so sammelt sich ständig eine, wenn auch geringe, Menge an Wärmeträger­ fluid aus der Arterie im Ansaugrohr. Wenn nun eine Gas­ blase vor die Ansaugöffnung gelangt, so muß, damit diese aus der Arterie abgesaugt werden kann, zunächst die Flüssigkeitsmenge aus dem Ansaugrohr entfernt werden. Wegen des damit verbundenen großen Druckver­ lustes der Strömung im Ansaugrohr muß die in der Venturidüse hervorgerufene Druckminderung beträchtlich sein, d. h., die Düse muß eine vergleichsweise starke Querschnittsverengung aufweisen. Dies aber führt auf der anderen Seite zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Dampfströmung infolge des Druckverlustes und damit zu einer stark herabgesetzten Leistungsfähigkeit des Wärmerohres.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmerohr der ein­ gangs genannten Art so auszubilden, daß Dampfblasen des Wärmeträgerfluids sowie Blasen aus nicht kondensier­ barem Gas einfach und schnell aus dem Strömungskanal für das Fluid entfernt werden können und damit eine sichere Inbetriebnahme eines derartigen Rohres, ent­ weder erstmalig oder nach einer beispielsweise durch Überlastung hervorgerufenen Betriebsunterbrechung, ge­ währleistet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Wärmerohr mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Das Wärmerohr nach der Erfindung ist dabei in hohem Maße fehlertolerant gegenüber im Betrieb auftretenden Überlastungen, da der Start- bzw. Wiederanfahrvorgang wesentlich vereinfacht und beschleunigt wird. Ein be­ sonders wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Wärme­ rohres liegt ferner darin, daß es möglich ist, nicht nur Blasen aus nicht-kondensierbaren Gasen aus dem Flüssigkeitskanal zu entfernen, sondern ebenso wirksam auch Dampfblasen.

Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung ist es dabei möglich, den für das Entfernen von Dampfblasen durchzu­ führenden Vorgang, durch einen kurzzeitigen Öffnungs­ vorgang des verdampferseitigen Endes entweder manuell anzusteuern oder aber diesen voll automatisch zu initiieren, um die Entlüftung erheblich zu beschleuni­ gen. Die zur Öffnung erforderliche Betätigungskraft kann dabei auf besonders vorteilhafte Weise thermo­ statisch, elektromagnetisch oder aber durch die Verwen­ dung eines Stellgliedes aus einer sogenannten Gedächt­ nislegierung ("shape memory alloy"), wie z. B. Nickel- Titan, erzeugt werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 und 2 je einen Längsschnitt durch einen Teil eines Hochleistungswärmerohres,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß III-III durch die in Fig. 2 dargestellte Anordnung und

Fig. 4 eine Ausführungsform im Längsschnitt durch das verdampferseitige Ende des in Fig. 2 darge­ stellte Wärmerohres.

Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt zeigt im mittleren Bereich die Transportzone eines Hochleistungswärme­ rohres, an die sich im linken Teil der Zeichnung die Verdampferzone, im rechten Teil die Kondensatorzone anschließt. Die Transportzone besteht aus einem Strömungskanal 1 für das verdampfte Wärmeträgermedium sowie, im Bild darunter liegend angeordnet, einem zweiten Strömungskanal 2, der Arterie, in dem das am Kondensatorende wieder verflüssigte Wärmeträgermedium zum Verdampferende zurückfließt. Der Flüssigkeitskanal 2 ist so gestaltet, daß sein für die Ausbildung von Gas- oder Dampfblasen relevanter kapilarer Radius, vom Verdampferende ausgehend, ständig zunimmt und seinen größten Wert am Kondensatorende erreicht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmerohr wird diese dadurch er­ reicht, daß die die beiden Strömungskanäle 1 und 2 trennende Wand 3 unter einem von Null verschiedenen Winkel zur Längsachse des Wärmerohres angeordnet ist. Im Bild erkennbar sind ferner die Grenzfläche 4 zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase sowie eine in tangentialer Richtung umlaufende feine Kapillarstruktur 5 an der Innenwand des Wärmerohres. Auf eine Ausführungsform mit einer Vorrichtung 6 zum verdampferseitigen Abschluß des Wärmerohres zur Freiga­ be einer Durchtrittsöffnung zwischen dem Flüssigkeits­ kanal 2 und dem Dampfkanal 1 wird im Zusammenhang mit den Erläuterungen zur Fig. 4 näher eingegangen.

Zunächst ist in den Fig. 2 und 3 ein zweites Wärme­ rohr dargestellt, das sich von dem vorangehend be­ schriebenen dadurch unterscheidet, daß in diesem Fall die den Dampfkanal 11 vom Flüssigkeitskanal 12 trennen­ de Wand 13 parallel zur Längsachse des Wärmerohres ver­ läuft und daß in diesem Fall die konische Verjüngung des kapillaren Querschnitts des Flüssigkeitskanals 12 in Richtung auf das Verdampferende durch ein an der Trennwand 13 angeordnetes, in den Flüssigkeitskanal 12 ragendes keilförmiges Blech 17 erreicht wird. Die Stärke dieses Bleches 17 nimmt in Richtung auf das Ver­ dampferende kontinuierlich zu. Im Bild zu erkennen sind ferner wieder die Grenzfläche 14 Flüssigkeit/Dampf so­ wie die Kapillarstruktur 15.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorteil­ haften Absperrvorrichtung 16 nach Art eines elektro­ magnetischen Ventils. Die Absperrvorrichtung 16 ist dabei identisch aufgebaut wie die Absperrvorrichtung 6 der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Sie besteht aus einem Stempel 21, der auf einem Schaft 22 gehaltert ist, welcher wiederum als Anker für einen Elektro­ magneten ausgebildet ist. Letzterer wird von einer zylindrischen stromdurchflossenen Spule 23 gebildet, die in einem separaten Gehäuse 24 einen zylindrischen Ansatz 25 des Wärmerohres umgibt, wobei dieser Ansatz 25 einen geringeren Durchmesser als das eigentliche Wärmerohr aufweist und zugleich als Führung für den Schaft 22 dient. Zwischen dem Schaft 22 und dem stirn­ seitigen Abschluß des Ansatzes 25 ist eine Druckfeder 26 angeordnet, die die Dichtfläche des Stempels 21 ge­ gen das verdampferseitige Ende der Wand 13 sowie des keilförmigen Bleches 17 preßt.

Vor der ersten Inbetriebnahme des Wärmerohres oder nach einem Ausfall infolge Überlastung wird bei einer Anordnung mit einer Absperrvorrichtung der Stempel 21 für kurze Zeit von der Wand 13 weggezogen und damit eine Öffnung zwischen dem Flüssigkeitskanal 12 und dem Dampfkanal 11 geschaffen. Dampf- bzw. Gasblasen die sich zu diesem Zeitpunkt am verdampferseitigen Ende des Flüssigkeitskanals 12 angesammelt haben, können durch diese Öffnung rasch in den Dampfkanal 11 entweichen. Dadurch füllt sich der Flüssigkeitskanal 12 wieder bis zur Kapillarstruktur 15 hin vollständig mit dem flüssi­ gen Wärmeträgermedium, wodurch die Voraussetzung für die Inbetriebnahme des Wärmerohres gegeben ist. Das Wärmeträgermedium gelangt über die an der Innenwand des Rohres im Verdampferbereich befindlichen Kapillaren in den Dampfkanal 11, wo es unter Aufnahme der abzuführen­ den Wärme verdampft.

Der kurzzeitige Öffnungsvorgang wird dadurch kon­ trolliert, daß die Spule 23 über Anschlußleitungen 27 von einem Strompuls durchflossen wird und dadurch den Schaft 22 gegen die Kraft der Druckfeder 26 in den An­ satz 25 hereinzieht. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, anstelle eines solchen elektromag­ netischen Ventils eine thermostatisch kontrollierte Absperrvorrichtung vorzusehen, die von einer Aufheiz­ einrichtung sowie einem Stellglied gebildet wird, dessen temperaturabhängige Dehnung in eine Bewegung des die Durchtrittsöffnung verschließenden Stempels umge­ setzt wird. Schließlich ist als Stellglied auch ein Element aus einer Formgedächtnislegierung, zum Beispiel Nickel-Titan, geeignet.

Claims (8)

1. Anordnung zur Übertragung von Wärme, bestehend aus einem mit einem Wärmeträgermedium gefüllten Wärme­ rohr, in dem wenigstens je ein Strömungskanal für das flüssige und für das in dem dampfförmigen Aggregatzustand über führte Wärmeträgermedium vor­ handen sind und bei dem ferner Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche Blasen in den Dampfkanal zu befördern, dadurch gekennzeich­ net, daß der Flüssigkeitskanal (2, 12) einen in Richtung auf das kondensatorseitige Ende konti­ nuierlich zunehmenden Kapillarradius aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Flüssigkeitskanal (2) vom Dampfkanal (1) trennende Wand (3) zur Längsachse des Rohres geneigt verläuft.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Wand (13) ein in das Innere des Flüssigkeitskanals (12) ragender, in Längsrich­ tung des Rohres verlaufender Ansatz (17) vorgesehen ist und der Kapillarradius in Richtung auf das Kondensatorende hin abnimmt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am verdampferseitigen Ende des Wärmerohres eine mittels einer von außen ansteuer­ baren Absperrvorrichtung (6, 16) verschließbare Durchtrittsöffnung zwischen dem Flüssigkeitskanal (2, 12) und dem Dampfkanal (1, 11) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (6, 16) als elektromagnetisch betätigtes Ventil ausgebildet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung aus einer elektrischen Aufheizeinrichtung sowie einem temperaturabhängig verformbaren Stellglied besteht.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung ein Stellglied aus einer Formgedächtnislegierung auf­ weist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (6, 16) automatisch ansteuerbar ist.