DE1943122A1 - Switchable heat pipe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr mit einem von außen wärmeaufnehmenden ersten Absohnitt, in dem Arbeitsflüssigkeit verdampft (heiße Stelle) und einem nach außen wärmeabgebenden zweiten Abschnitt, in dem der Dampf kondensiert (kalte Stelle), wobei die beiden Abschnitte für die Arbeitsflüssigkeit zu einem geschlossenen Kreislauf vereinigt und für den Rücklauf des Kondensats Leitmittel in Form von Kapillaren vorgesehen sind, die sich über die innere Oberfläche des rohrförmigen Wärmeübertragers mit Ausnahme eines Teiles des zweiten Abschnittes erstrekken. . ..The invention relates to a heat pipe with an exterior heat-absorbing first section, in which the working fluid evaporates (hot spot) and one that emits heat to the outside second section in which the steam condenses (cold spot), the two sections for the Working fluid combined to form a closed circuit and condensate for the return flow of the condensate are provided in the form of capillaries, which extend over the inner surface of the tubular heat exchanger with the exception of part of the second section. . ..
Mit Wärmerohren können große Wärmemengen pro Flächeneinheit transportiert werden. Die Wärmerohre sind lageunabhängig und in einem großen Temperaturbereich verwendbar,· wenn man das Arbeitsmedium entsprechend wählt.With heat pipes, large amounts of heat per unit area be transported. The heat pipes can be used in any position and over a wide temperature range, if you choose the working medium accordingly.
Es ist bereits ein Wärmerohr vorgeschlagen worden, das je nach Bedarf eine sehr große oder eine sehr kleine Wärmemenge überträgt. Bei diesem Wärmerohr ändert sich das Wärmeleitvermögen in Abhängigkeit von der Temperatur sprunghaft, vornehmlich bewirkt durch Verwendung einer speziellen Arbeitsflüssigkeit mit entsprechender Dampfdruckänderung /( p 19 3T782.3).A heat pipe has already been proposed, as has ever been a very large or a very small amount of heat as required transmits. In this heat pipe, the thermal conductivity changes depending on the temperature by leaps and bounds, primarily caused by the use of a special working fluid with a corresponding change in vapor pressure / (p 19 3T782.3).
Ausgehend von der vorgeschlagenen Anordnung bezweokt die Erfindung, die Temperatur als Parameter weitgehend zu eliminieren! ά.tu das Wärmerohr soll in seinem gesamtenBased on the proposed arrangement, the invention aims to largely use the temperature as a parameter eliminate! ά.tu the heat pipe should be in its entirety
^ -ir^ -ir
BROWN, BOVERl & CIE- AKTIENGESELLSCHAFT feöBROWN, BOVERl & CIE-AKTIENGESELLSCHAFT feö
MANNHEIM BROWN BOVER!MANNHEIM BROWN BOVER!
Mp.-Nr659/69 Mannheim, den 20.Aug. 1969 j Mp.-No. 659/69 Mannheim, August 20. 1969 j
Pat/P/Bu.Pat / P / Bu.
ff "Schaltbares Wärmerohr""Switchable heat pipe"
639/69639/69
möglichen Arbeitstemperaturbereich schaltbar sein. Zur Schaltung können äußere Steuermittel angeordnet sein*possible working temperature range be switchable. External control means can be arranged for switching *
Die Lösung besteht in einem Wärmerohr der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß darin, daß Steuermittel angeordnet sind,durch die das Kondensat in dem zweiten Abschnitt,d.h. an der kalten Stelle zurückgehalten und damit der Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit unterbrochen oder der Kreislauf wieder freigegeben werden kann. Das Wärmerohr besteht aus hitzebes.tändigem Material mit relativ schlechtem Wärmeleitvermögen« Ein Austrocknen des wärmeaufnehmenden Abschnitts kann zwar zu Startschwierigkeiten beim Einschalten führen; durch neuartige Kapillarstrukturen sind diese jedoch bereits überwunden. Daher erweist es sich als vorteilhaft, eine örtliche Ausbuchtung zur Aufnahme von Kondensat im Bereich des wärmeabgebenden Abschnittes vorzusehen, die keine Verbindung mit den Kapillaren hat. Zum Einschalten dreht man das Wärmerohr und das Kondensat wird von gegenüberliegenden Kapillaren aufgenommen*-Noch günstiger ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, das zum Schalten nicht-gedreht wird und weitgehend lageunabhängig arbeiten kann· Mit Hilfe eines Verdrängungskörpers wird Kondensat in Verbindung mit der Kapillarstruktur gebracht oder in anderer Stellung des Verdrängungskörpers verhindert, daß angespeichertes Kondensat von der Kapillarstruktur in die Verdampfungszone transportiert werden kann. Z.B. kann zu diesem Zweck ein Wärmerohr mit im wesentlichen senkrecht angeordneter1 Rohrachse und oben liegender heißen und unten liegender kalten Stelle dienen9 in dem die Kapillaren in einem gewissen Abstand vom unteren Abschluß des Wärmeübertragers ,enden vsn& wobei in diesem Bereich ein im -Inneres äe® Übertrages1© auf und ab be-wegfea^er' VerdrängungS"=The solution consists in a heat pipe of the type described at the outset, according to the invention, in that control means are arranged by which the condensate can be retained in the second section, ie at the cold point, and thus the circuit of the working fluid can be interrupted or the circuit can be released again. The heat pipe consists of heat-resistant material with relatively poor thermal conductivity. Drying out of the heat-absorbing section can lead to starting difficulties when switching on; however, these have already been overcome by novel capillary structures. It is therefore found to be advantageous to provide a local bulge for receiving condensate in the area of the heat-emitting section which has no connection with the capillaries. To switch on, you turn the heat pipe and the condensate is taken up by capillaries on the opposite side in another position of the displacement body prevents accumulated condensate from being transported from the capillary structure into the evaporation zone. For example, for this purpose a heat pipe having substantially vertically arranged one tube axis and overhead hot and lying down cold spot serve 9 in which the capillaries at a certain distance from the lower end of the heat exchanger, forming vsn & whereby a AEE in this area in HEART ® Transfer 1 © up and down be-wegfea ^ er 'Displacement S "=
B©@a ist0 Ha da© si©kB © @ a is 0 Ha da © si © k
. _ 5 _ . 639/69. _ 5 _. 639/69
des Übertragers sammelnde Kondensat nicht bis zu den Kapillaren relent, während bei gesenkter Stellung des Verdrängungskörpers der" Flüssigkeitsspiegel des verdrängten Kondensats the condensate collecting the transmitter does not reach the capillaries relent, while the "liquid level of the displaced condensate" when the displacement body is in the lowered position
bis an die Kapillaren heranreicht. Ireaches up to the capillaries. I.
.■■.·■ i. ■■. · ■ i
Soll das Wärmerohr in anderer Lage arbeiten, so kann sich der Verdrängungskörper in einem vom Rohr' abgewinkeltenIf the heat pipe is to work in a different position, the displacement body can be angled away from the pipe
Bereich befinden. ;Area. ;
Die erfindungsgemäßen Wärmeröhre können vorteilhaft zur i Raumklimatisierung oder in Wärmespeicheröfen eingesetzt sein, Anwendungsbeispiele,bei denen längere Schaltzeiten auftreten dürfen» Die Bezeichnung "Wärmerohr" hat sich j durchgesetzt; daher sei darauf hingewiesen, daß ein "Wärme- | rohr" durchaus einen quadratischen oder änderen Querschnitt aufweisen kann. - ,The heat pipe according to the invention can advantageously be used for i Room air conditioning or in heat storage stoves, application examples where longer switching times may occur »The term" heat pipe "has j enforced; It should therefore be pointed out that a "heat pipe" has a square or other cross-section may have. -,
In den Zeichnungen sind in den Fig. 1 bis 3 zwei prinzipielle Ausführungsbeispiele und in den Fig. 4 bis 8 spezielle Anwendungen der Erfindung dargestellt, die im folgenden beschrieben werden. Es zeigensIn the drawings, FIGS. 1 to 3 show two basic exemplary embodiments and FIGS. 4 to 8 show special ones Applications of the invention presented below to be discribed. Show it
Fig. 1 ein aufgrund des Entzuges der Arbeitsflüssigkeit schaltbares Wärmerohr;1 shows a heat pipe which can be switched due to the withdrawal of the working fluid;
Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung von Fig. 1 entsprechend der angedeuteten Schnittlinien und Pfeile;FIG. 2 shows a section through the arrangement of FIG. 1 accordingly the indicated cutting lines and arrows;
Fig. 3 ein mittels Verdrängungskörper schaltbares Wärmerohr; 3 shows a heat pipe which can be switched by means of a displacement body;
Fig. 4 den Einsatz mehrerer Wärmeröhre an einem Wärmespeicher; "%4 shows the use of several heat pipes on a heat accumulator; "%
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■·- 4 - . ■ 639/69■ · - 4 -. ■ 639/69
Fig. 5 ein magnetisch schaltbares Wärmerohr mit abgewinkeltem Arm für die Schalteinrichtung!5 shows a magnetically switchable heat pipe with an angled arm for the switching device!
Fig. 6 einen Schnitt durch die Anordnung von Fig. 4 entsprechend der angedeuteten Schnittlinie und Pfeile; FIG. 6 shows a section through the arrangement of FIG. 4 according to the indicated cutting line and arrows; FIG.
Fig. 7 ein mechanisch schal fbares Wärmerohr mit abgewinkeltem Arm für die Kondensatspeicherung;7 shows a mechanically switchable heat pipe with an angled arm for condensate storage;
Fig. 8 einen Schnitt durch die Anordnung von Fig. 7> entsprechend der angedeuteten Schnittlinie und Pfeile.8 shows a section through the arrangement of FIG according to the indicated cutting line and arrows.
In Fig. 1 ist ein waagerecht liegendes Wärmerohr 1 mit einer heißen Stelle 2 und einer kalten Stelle 3 dargestellt; Im Inneren des Rohres sind Kapillaren 4 angebracht. Am Mantel des Wärmerohres'befindet sich eine Ausbuchtung 5 (Fig. 1 und Fig. 2).In Fig. 1 is a horizontally lying heat pipe 1 with a hot spot 2 and a cold spot 3 shown; Capillaries 4 are attached inside the tube. On the coat of the heat pipe there is a bulge 5 (Fig. 1 and Fig. 2).
In der Ausführung nach Fig. 3 dient als Steuermittel zum Schalten ein Yerdrängungskörper 6, der über eine Spule 7 elektromagnetisch betätigt wird.In the embodiment of FIG. 3 serves as a control means for Switching a displacement body 6, which is actuated electromagnetically via a coil 7.
Ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wärmerohre zeigt Fig. 41. Um einen kompakten Wärmespeicherkern 8 befindet sich eine Isolierung 9» die so bemessen ist, daß wenig Wärme verloren geht. Abdeckung 10 füllt die lichten Maße des Speichers. Die Vorder- und Rückfront wird durch je ein Abdeck- ' blech 11 gebildet, wodurch eine Kaminwirkung ersielt wird. Die Wärme wird aus dem Speicherkern 8 über mehrere Wärmeleitrohre if^inem Konvektor 12 geleitet. In diesem Falle gelangen Wärmerohre 1. zur Anwendung, die einen abgewinkelten Schaltarm 13 aufweisen (Fig. 5 bis Fig. 8). Für die Anordnung nach Fig. 7 mit einem drehbaren Wärmerohr sind lager 14 und 15 vorgesehen und eine Zahnstange 16 mit Ritzel 17 für die Drehbewegung.An application example of the heat pipes according to the invention is shown in FIG. 4 1 . Around a compact heat storage core 8 there is an insulation 9 'which is dimensioned so that little heat is lost. Cover 10 fills the clear dimensions of the store. The front and rear fronts are each formed by a cover plate 11, which creates a chimney effect. The heat is conducted from the storage core 8 via several heat conduction pipes if ^ inem convector 12. In this case, heat pipes 1. are used which have an angled switching arm 13 (FIGS. 5 to 8). For the arrangement of Fig. 7 with a rotatable heat pipe bearings 14 and 15 are provided and a rack 16 with pinion 17 for the rotary movement.
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Nachstehend wird die Wirkungsweise der. dargestellten Beispiele erläutert. Im Prinzip wird das Kondensat bei beiden Ausführungsformen nach.Fig. 1 bis 3 an der kalten Stelle 3 zurückgehalten und nicht durch die Kapillaren 4 zur heißen Stelle 2 befördert, weil die Kapillärstruktur nicht an der gesamten Innenwandung bis zur Stirnfläche an der nach außen wärmeabgebenden Stelle reicht.The operation of the. illustrated examples. In principle, the condensate is both Embodiments according to Fig. 1 to 3 at the cold spot 3 retained and not conveyed through the capillaries 4 to the hot spot 2 because the capillary structure is not at the entire inner wall up to the end face at the point that emits heat to the outside.
Bei dem mechanisch schaltbaren Wärmerohr 1 (Pig. 1 und 2) sammelt sich das Kondensat in der Ausbuchtung 5, wenn diese nach unten zeigt. Zum Einschalten wird das Wärmerohr 1 gedreht, das Kondensat fließt aus der Ausbuchtung 5 in die Kapillaren 4, wird von diesen zur heißen Stelle 2 befördert, verdampft und transportiert die aufgenommene Wärme zur kalten Stelle.With the mechanically switchable heat pipe 1 (Pig. 1 and 2) the condensate collects in the bulge 5 when it points downwards. To switch on the heat pipe 1 is rotated, the condensate flows out of the bulge 5 into the capillaries 4, is transported by these to the hot spot 2, evaporates and transports the absorbed heat to the cold spot.
Bei dem elektromagnetisch schaltbaren Wärmerohr 1 (Hg. 3) befindet sich der Verdrängungskörper 6 auf dem Böden des Wärmerohres, wenn die Spule 7 nicht erregt ist. Er verdrängt dort die Flüssigkeit, so daß der Flüssigkeitsspiegel bis an die Kapillaren.heranreicht und von dort aus der Kreislauf in Gang gesetzt wird. Bei Erregung der Spule 7 wird der Verdrängungskörper angehoben, der Flüssigkeitsspiegel bleibt unter dem Anfang der Kapillaren. Der Durchmesser des Verdrängungskörpers 6 ist wesentlich kleiner als der innere Durchmesser des Wärmerohres, damit sich im abgeschalteten Zustand im von Kapillaren freien Raum Kondensat sammeln kann und im Betriebsfall die Wärmeübertragung an der kalten Stelle nicht nachteilig verändert wird. Es ist selbstverständlich, daß bei dieser Anordnung auch Vorrichtungen eingesetzt werden können, z.B. eine mechanische Eückzugefeder, die eine Umkehrung des Sohalteffektes gestatten, d#h· bei Erregung der Spule 7 wird das Wärmerohr βingeschalte $, oder die ein lageunabMngiges Arbeiten ermöglichen.In the electromagnetically switchable heat pipe 1 (Hg. 3), the displacement body 6 is on the bottom of the heat pipe when the coil 7 is not energized. It displaces the liquid there so that the liquid level reaches the capillaries and from there the circulation is started. When the coil 7 is excited, the displacement body is raised, the liquid level remains below the beginning of the capillaries. The diameter of the displacement body 6 is much smaller than the inner diameter of the heat pipe so that condensate can collect in the capillary-free space when switched off and the heat transfer at the cold point is not adversely affected during operation. It goes without saying that devices can also be used with this arrangement, for example a mechanical return spring, which allow the holding effect to be reversed, i.e. when the coil 7 is excited, the heat pipe is switched on, or which enable work to be carried out in any position.
1/ÖS4S1 / ÖS4S
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Neben vielen Anwendungamögliclikeiten der schaltbaren Wärmerohre 1 können diese wie bereits erwähnt vorteilhaft bei Wärmespeicheröfen eingesetzt werden. Die Wärmeübertragung erfolgt über Wärmeleitrohr 1 mit einem zusätzlichen Arm 13» Ist die Spule 7 nicht erregt (Fig. 5 und 6), so befindet sich der magnetische Verdrängungskörper 6 unten, wodurch das Kondensat der Arbeitsflüssigkeit in die Kapillaren 4 gedrüokt wird und der Kreislaufs Kondensat - Dampf - Kondensat - geschlossen ist. Die Fig. 7 und 8 verstehen sich nach den vorangegangenen Ausführungen über die aufgrund einer Drehbewegung schaltbaren Wärmerohre von selbst.In addition to many possible uses of the switchable heat pipes 1, as already mentioned, these can be used advantageously in heat storage stoves. The heat transfer takes place via heat pipe 1 with an additional arm 13. If the coil 7 is not energized (FIGS. 5 and 6), it is located the magnetic displacement body 6 is below, whereby the condensate of the working fluid in the capillaries 4 is pressed and the cycle condensate - steam - condensate - closed is. FIGS. 7 and 8 are based on the preceding explanations on the basis switchable heat pipes by themselves.
Im Falle des Einsatzes der erfindungsgemäßen Wärmerohre in Wärmespeicheröfen entfallen vorteilhafterweise im Speicherstein der Oefen die Luftführungskanäle. Der vorhandene Raum wird daher besser ausgenutzt. Die Wärmeleitung vom Stein bis an die wärmeabgebende- Oberfläche wird durch schaltbare Wärmeleitrohre geräuschfrei und regelbar durchgeführt.If the heat pipes according to the invention are used in Heat storage stoves advantageously do not have the air ducts in the storage stone of the stoves. The existing space is therefore better used. The heat conduction from the stone to the heat-emitting surface is switchable Heat pipes carried out noise-free and controllable.
Auch bei Geräten für die Raumklimatisierung, beispielsweise mit Wärmepumpen, können Wärmeleitrohre, besonders wenn sie schaltbar sind, Vorteile bieten. Wenn die Klimageräte mit · Peltierelementen ausgerüstet sind, so haben sie beiderseits angebaute luftwärmeaustauscher für die Kalt- und Warmseite, di© mit der Raumluft und Außenluft in Verbindung stehen.' Zu diesem Zweok waren ,bisher Mauerdurchbrüche mit großem Querschnitt notwendig! häufig mußten die Geräte aus bauliehen Gründen in die .'Fensterausbrüche eingesetzt werden. Mit dem Wärmeleitrohr :sind nur Mauerdurchbrüche in relativ sehr kleinen Abmessungen - meist nicht größer als für ein normales Wasserrohr - erforderlich. Da die- Wirkung des Wärmeleitrohres umkehrbar ist, kann je nach den Erfordernissen der Wärmefluß von außen naoh innen, umgekehrt oder ' schaltbarem Wärmel@ii;rohr ganz abgestellt werden»Heat pipes can also be used in devices for air conditioning, for example with heat pumps, especially if they are switchable, offer advantages. If the air conditioning units are equipped with Peltier elements, they have on both sides attached air heat exchanger for the cold and warm side, di © are in connection with the air in the room and outside air. ' For this purpose, wall openings with a large cross-section were previously necessary! often the equipment had to be borrowed from the building Reasons in which window breakouts are used. With the heat pipe: are only wall openings in relatively very small dimensions - usually not larger than for one normal water pipe - required. Since the effect of the heat pipe is reversible, depending on the requirements, the heat flow from outside to inside, vice versa or ' switchable heat detector @ ii; pipe can be turned off completely »
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Die beschriebenen Verwendungen von sohaltbaren Wärmerohren sind beispielhaft. Der Einsatz kann*in der Raumfahrttechnik, zur Halbleiterkühlung, zur Wärmeabfuhr an Hochtemperatur-Akkumulatoren, an Motoren u:. a. erfolgen, bei allen Wärmeübertragungsaufgaben, für die Wärmerohre vorteilhaft benutzt werden.The described uses of durable heat pipes are exemplary. It can be used in space technology, for semiconductor cooling, for heat dissipation on high-temperature accumulators, on motors and the like. a. for all heat transfer tasks, can be used advantageously for the heat pipes.
In-einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich das Schaltvermögen aufgrund der beschriebenen äußeren Steuermittel mit einer selbsttätigen Änderung des Wärmeleitvermögens z.B. aufgrund einer temperaturabhängigen Dampfdruckänderung der Arbeitsflüssigkeit kombinieren.In a further embodiment of the invention, the switching capacity due to the external control means described with an automatic change in thermal conductivity e.g. due to a temperature-dependent change in vapor pressure of the working fluid.
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