DE2235792A1

DE2235792A1 - Vorrichtung zur uebertragung von waermeenergie

Info

Publication number: DE2235792A1
Application number: DE19722235792
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lasar; Guenter Loechter
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR2193960B1; FR2193960A1; GB1402509A; IT991965B

Description

DORNIER SYSTEM GMBH 223573?

Friedrichshafen

Reg. S 136

Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie mittels Verdampfung eines Mediums und'Rücktransport des Kondensats durch Kapillarwirkung, wobei die Vorrichtung selbst als tragendes Bauteil in Sandwichbauweise ausgeführt ist und die mit den Abschlußplatten des Sandwichbauteiles fest verbundenen Waben eine engmaschige Netzstruktur für den Kondensatrücktransport aufweisen.

Vorrichtungen der genannten Art bestehen aus einem geschlossenen Rohr unterschiedlichen Querschnittes, an dessen Innenwand eine Kapillarstruktur z. B. eine Netzstruktur oder Sinterschicht angebracht ist und der Kapillarraum im Betriebszustand bei evakuiertem Rohr ein flüssiges Wärmetransportmittel enthält. Bei Wärmezufuhr am einen Rohrende verdampft das Medium und strömt aufgrund des axialen Temperaturgefälles zum anderen, kälteren Rohrende und kondensiert dort unter Abgabe der Verdampfungswärme. Das Kondensat fließt durch die Wirkung der Kapillarkräfte der kapillaren Struktur im Gegenstrom von der Wärmesenke d. h. dem kälteren Rohrende zur Wärmequelle uurück.

Durch geeignete Auslegung kann ein Betrieb derartiger Wärmerohre unabhängig von der Schwerkraft und bzw. oder der Einwirkung von Massenbeschleunigungen und Schwingungen erfolgen. Im schwerelosen Raum arbeiten solche Wärmerohre am günstigsten, da durch Wegfall von Gravitationskonstanten bei der

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Steighöhenbestimmung die Steighöhe selbst im wesentlichen nur noch durch Reibungsverluste beim Kondensatrücktransport beeinflußt wird.

Sollen derartige Wärmerohre in Sandwichbauteile integriert werden und sollen die Sandwichbauteile auch zur Aufnahme elektronischer Bauteile dienen, deren Temperatur beeinflußt werden soll, kann der Transport von Wärmeenergie und der Kondensatrücktransport zur Erzielung isothermer Verhältnisse an den Sandwichbauteilen nur annähernd durch die Anordnung einzelner Wärmerohre oder mittels eines komplizierten Wärmerohr-Verbundsystems bewirkt werden. Die Forderung an solchen Sandwichbauteilen isotherme Verhältnisse zu schaffen, ist auch durch eine aufwendige Integralbauweise erfüllbar, bei der Kapillarnuten oder dergl. aus dem Wandmaterial herausgearbeitet werden müssen.

Die Schaffung eines nahezu isothermen Sandwichbauteiles oder auch einer großen Fläche läßt sich nur dann verwirklichen, wenn der Wärmeenergietransport und der Rücktransport des Kondensats rasch und in dreidimensionaler Richtung wirksam ist. Mit Wärmerohren des bisher bekannten Aufbaues lassen sich derartige Forderungen nur in ungenügender Weise erfüllen.

Eb sind bereits flächenförmige, in Sandwichbauweise ausgeführte Wärmerohre bekanntgeworden, deren Waben aus einem engmaschigen Drahtgewebe bestehen« das durch Kapillarwirkung den Rücktransport der kondensierten Flüssigkeit übernimmt. Über öffnungen in den netzförmigen Wabenetegen strömt die im Bereich der Wärmequelle verdampfte Flüssigkeit zur Kühlzone.

Die Verbindung der Abschlußplatten des Sandwichbauteiles mit den in Netzstruktur ausgeführten Waben wird dabei durch eine Klebeschicht hergeetellt.

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Die Klebeschicht hat den Nachteil, daß auf die chemische Verträglichkeit zwischen dem Füllmedium des Wärmerohres und die- Zusammensetzung des Klebers auch bei höheren Temperaturen Rücksicht genommen werden muß. Da an der Klebeschicht zwischen den Waben und den Abschlußplatten des Sandwichbauteiles kein auf dem Kapillar effekt beruhender Kondensatrücktransport möglich ist, muß dieser Rücktransport in Richtung der beiden Längsachsen des Sandwichbauteiles einzig und allein durch die Netzstruktur der Waben bewerkstelligt werden. Dies bedeutet, daß der Rücktransport des Kondensats entsprechend der Wabenform bzw. der Wabenanordnung (sechseckig, wellenförmig oder kreisförmig) in Längs- und Querrichtung des Sandwichbauteiles dem Verlauf der Waben.fdgen muß, d. h. nicht geradlinig und auf kürzestem Wege von der Wärmesenke zur Wärmequelle erfolgen kann. Daraus resultieren Reibungs-

Verluste beim Kondensätrücktransport und in vertikaler Richtung unter Schwerkrafteinwirkung Steighöhenverluste, was zur Minderung des Wärmetransportvermögens der Vorrichtung führt. Bezüglich der maximalen möglichen Energietransportwege unterliegen derartige Platten in ihren Abmessungen somit Beschränkungen.

Aufgabe'der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie zu schaffen, mittels der sich durch dreidimensionalen Wärmeenergietransport bzw. Kondensatrücktransport nahezu isotherme Verhältnisse bei raschem Energieaustausch erreichen lassen. Dazu soll zur Erhöhung des Leistungsdurchsatzvermögens der Vorrichtung der Kondensatrücktransport von der Wärmesenke zur Wärmequelle geradlinig und mit möglichst geringen Reibungsverlusten bewerkstelligt werden. Gleichzeitig soll die Verbindung zwischen

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dtn Abechlußplatten und den Wabenetegen dee Bandwichbautellee durch ein relativ temperaturbeständiges Verbindungemittel erfolgen, das bei hoher HeU-flächenbelaetung bzw. großer Wärmeetromdichte ein großes Kondenaatrücktransportverroögen besitzt. Die Vorrichtung soll sowohl im kryogenen Temperaturbereich al* auch bei hohen Temperaturen einsetzbar sein.:. ,

Eriindungegemäß ist 41« gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Erhöhung des Kondensatrücktransportvermögens und *pr Erzielung einer festen Verbindung der Wabenstege mit den Abechlußplatten zwischen den Wabenstsgen und den Abechlußplatten eine chemisch mit dem Füllmediuxn der Vorrichtung verträgliehe Sinterschteht aufgebracht ist.

Die Sinterschicht zwischen den Abechlußplatten der Vorrichtung und den Wabenetegen erlaubt einen größtmöglichen Kondensatrücktransport in Richtung der Ebene der Abechlußplatten mittels der Kapillarwirkung auf kürzestem Wege von der Wärmesenke zur Wärmequelle. Dadurch werden die Reibungsverluste gegenüber Vorrichtungen, deren Teile durch Kleber miteinander verbunden sind,

herabgesetzt und damit eine wesentliche Erhöhung des Leistungsdurchsatzvermögens erzielt. Gleichzeitig stellt die Sinter schicht eine feste Verbindung zwischen den Abechlußplatten und den Wabenstegen her. Durch die erfindungsgemäße Verwendimg der Sinterschichten gegenüber Klebeechichten ist der Anwen**>i dungsbereich von Füllmedien bedingt durch chemieche Verträglichkeit zwischen Fttllmedium und Kapillar struktur bzw. dem Material des Sandwichbauteiles er· wettert, da durch chemieche Zersetzung eine Degradation der Vorrichtung auftreten kann. Unter Umständen altert eine Vorrichtung, bei der Klebeechichten verwendet sind rascher, wodurch sich das Durchs atzvermögen reduziert und

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der Temperaturverlauf verschlechtert. Im Endeffekt können Steifigkeitsverluste einen totalen Auefall der Vorrichtung nach sich ziehen.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie kann vorteilhafterweise auch für die tragende Struktur z. B. von Nutzlastspitzen und Satellitenhüllen verwendet werden. Die Wärmeenergie kann dabei z. B. von dem von der Sonne angestrahlten Bereich der Satellitenhülle zur Schattenseite derselben transportiert und von da in den Raum abgestrahlt werden. Um einen totalen Ausfall der Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie z. B. beim Einschlag von Meteoriten zu verhindern ist es auch denkbar, die Satellitenhülle aus mehreren aneinandergekoppelten, getrennt für sich arbeitenden Vorrichtungen gemäß der Erfindung zu bilden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt nach der Linie I - I der Fig. 2 die Vorrichtung in Verbindung mit der Aufnahme von elektronischen Bauteilen. Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung im einzelnen den Aufbau der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung nach der Linie A-A abgeschnitten dargestellt ist.

Die gezeigte Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 ist als tragende Struktur in Form einer Sandwichplatte ausgeführt, die zur Aufnahme elektronischer Bauteile dient, deren Temperatur beeinflußt werden soll. InFIg. 2 tiatider Übersichtlichkeit halber die elektronischen Bauteile nicht dargestellt.

Mit 1 ist die gesamte Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie bezeichnet. Der Aufbau der Vorrichtung lratteht in bekannter Weise aus Abschluß-

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platten in Verbindung mit einer Wabenstruktur. Es sind eine obere und eine untere Abschlußplatte 3 bzw. 4 sowie SeitenabschluOplatten 6 vorhanden* wobei letztere U-Profilform aufweisen. Die Waben setzen sich aus netzförmig ausgebildeten Wabenetegen 10 in Sechseckausführung zusammen. Durch die netzförmige Ausbildung der Wabeqstege 10 ist eine Kapillar struktur gebildet, die einen Rücktransport des Kondensats von der Wärmesenke zur Wärmequelle der Vorrichtung in dreidimensionaler Richtung (Pfeil X, Y und Z) ermöglicht. Die Wabenstege 10 weisen zentral angeordnete Öffnungen 11 für den Durchtritt der in der Heizzone verdampften Flüssigkeit auf. Durch die öffnungen 11 kann die verdampfte Flüssigkeit in Richtung der Pfeile X und Y von der Wärmequelle zur Wärmesenke strömen. In Richtung des Pfeiles Z der Vorrichtung 1 kann sich , die verdampfte Flüssigkeit innerhalb der Wabenräume 13 (siehe Dampfströmrichu. tung Pfeil D) ausbreiten. Die Wabenstege 10 sind über ihre Ober- bzw. Unterkante 15 bzw. 16 mit der oberen bzw. unteren Abschlußplatte 3 bzw. 4 der Vorrichtung verbunden. Diese Verbindung erfolgt mittels einer Sinterechicht 20, die eich über die gesamte Innenfläche der oberen und unteren Abschluflplatte 3 bzw. 4 erstreckt. In der gleichen Weise ist zwischen den Wabenetegen 10 und den SeitenabechluÜplatten 6 eine Sinterschicht 20' gebildet. Gemail Fig. 2 ist mit Q„ die Heiz zone und mit Q₁. die Kühlzone bezogen auf den Energietransport in Richtung des Pfeiles X bezeichnet. Die Dampf Strömrichtung ist <'dabei mit durchgehend ausgezogenen Pfeilen D und der Kondensatrücktrane port mit gestrichelten Pfeilen K in der kapillaren Netz struktur der Wabenstege 10₍ sowie mit Pfeilen K' in den Sinterschichten 20 bzw. 20' angedeutet.

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Im Bereich der Ober- bzw. Unterkante 15 bzw. 16 sind die Wabenatege 10 rechtwinklig abgebogen um eine bessere Verbindung zwischen den Wabenetegen. und den Abschlußplatten 3 bzw. 4 mittels der Sinter schichten 20 zu bewirken.

In Fig. 1 ist die Aufnahme elektronischer Bauteile durch die Vorrichtung 1 angedeutet. Es ist dabei nur ein. elektronisches Bauteil 22 von möglicherweise . mehreren solcher Bauteile in der Zeichnung dargestellt. Für die Befestigung der elektronischen Bauteile 22 weist die Vorrichtung 1 dabei eine Buchse 23 auf, die über eine Sinterschicht 20" mit den angrenzenden Wabenst^gen 10 verbunden ist. Die Sinterschicht 20" dient dabei zur örtlichen Verteilung des Kondensats. Das elektronische Bauteil ist mittels einer Verschraubung über die Buchse 23 an der Vorrichtung 1 fest angebracht- Zur Herstellung einer festen Verbindung der Buchse 23 mit den Abschlußplatten 3, bzw. 4 ist zusätzlich zur Sinter schicht 20" eine vakuum- und Überdruckdichte Schweißverbindung mit Schweißnähten 25 vorgesehen. Ebenso sind solche Schweißnähte 26 zwischen den Seitenwänden 6 und den Abschlußplatten 3 bzw. 4 vorgesehen.

Die Wirkungsweise der Ausführung ist wie nachfolgend beschrieben.

Das in dem Raum innerhalb der Abschlußplatten 3, 4 und 6 in den Kapillarstrukturen 10, 20, 20' und 20" befindliche Kondensat wird mie bekanat im Bereich der Heizzone Q. bei evakuierter Vorrichtung 1 verdampft und strömt in Richtung der Pfeile D durch die Öffnungen 11 zur Kühlzone Q , die an einen Kühlkreislauf oder Radiator angeschlossen sein kann (nicht dargestellt)« Der

Vereinfachung halber ist hier nur eine Heizzone Q-. und eine Kühlzone Q„ in

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Richtung der X-Längsachse der Vorrichtung eingezeichnet. Die verdampfte Flüssigkeit kondensiert unter Abgabe der Verdampfung sw arme innerhalb der Kühlzone Q und das Kondensat wird zum größten Teil durch die Kapillarwirkung in den Sinter schichten 20 bzw. 20* (Pfeil K') in Richtung der X-Achse zur Heizzone

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Q„ zurücktraneportiert. Eine geringere Kondeneatmenge wird durch die

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Kapillarwirkung der Netzwabenstruktur auf nicht geradlinigem Wege ebenfalls zur Heizzone Q„ zurttcktransportiert. Eine Ortliche Benetzung der Kapillaretruk -türen durch das Kondensat gemäß der Pfeile Z und Y in beiden Richtungen» also senkrecht zur Hauptströmrichtung X, wird innerhalb der gesamten Vorrichtung gewährleistet, so daß ein örtliches Austrocknen der Kapillarstrukturen mit raschem Temperaturanstieg (burn out) vermieden wird. Durch die Sinterschicht 20* und die Netzwabenstege 10 wird gleichzeitig eine Kondensatvertellung in Z-Richtung (Pfeile K, K') in den Kapillarstrukturen und somit eine Verbindung zu den Kondensatströmen K' in den Sinterschichten 20 der Abschlußplatten 3 und 4 erreicht. Ebenso wird in der Sinter schicht 20 und den Netzwabenstegen 10 eine Kondensat -verteilung in Y-Richtung (Pfeile K, K') auftreten.

Bei Betrieb dieser Vorrichtung ergibt sich durch Zusammenfassung der einzelnen Ströme K und K' des KondensatrQcktraneportes in X, Y und Z-Richtung der Vorrichtung ein Hauptströmvektor, so daß ein stationärer Zustand eintritt. . Die Hauptrichtung des Wärmeenergietransportes und des Rücktransportes des Kondensats kann je nach Anordnung der z. B. eine Verlustleistung abgebenden elektronischen Bauteile an der Vorrichtung sowohl von einer zur anderen Abschlußplatte 3 bzw. 4 (Z-Achse) als auch in Richtung der zweiten Längsachse (Y-Achse) erfolgen. Dabei wird sich jeweils immer ein Gleichgewichtszustand von einzelnen Kondensatströmen zu einem Haugtvektor einstellen. Ist die Hauptrichtung des Wärmeenergietransportes in allen drei Achsen (X, Y und ) gleich groß, wird eine Benetzung sämtlicher Kapillarstrukturen durch das Kondensat ermöglicht. Je nach Anordnung der Kühl- bzw. Heizzone erfolgt somit der Wärme -

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energietransport bzw. der Kondensatrücktransport in dreidimensionaler Richtung, d. h. in Richtung der Pfeile Z, X und Y der Vorrichtung. Durch die. Sinterschichten 20, 20* wird der Kondensatrücktransport in Verbindung mit der Netzwabenstruktur wesentlich verstärkt und damit ein erhöhtes Wärmetransportvermögen der Vorrichtung erreicht. Gleichzeitig wird über die Sinterschicht 20, 20' und 20" eine feste Verbindung zwischen den netzförmigen Wabenstegen 10 und den Abschlußplatten 3, 4 und 6 bzw. der Buchse 23 der Vorrichtung hergestellt. Außerdem erfolgt der Rücktransport des Kondensats über die Sinterschichten 20, 20' von der Wärmesenke (Q-J zur Wärmequelle (Q„) auf kürzestem Wege.

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12. Juli 1972
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Claims

Patentansprü cne :

A) Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie mittels Verdampfung eines Mediums, und Rücktransport des Kondensats durch Kapillarwirkung» wobei die Vorrichtung selbst als tragendes Bauteil in Sandwichbauweise ausgeführt ist und die mit den Abschlußplatten des Sandwichbauteiles fest verbundenen Waben eine engmaschige Netzstruktur für den Kondensatrücktransport aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des KondeneatrUcktraneportvermögens und zur Erzielung einer festen Verbindung der Wabenstege (10) mit den Abschlußplatten (3, 4 bzw. 6) zwischen den Wabenstegen (10) und den

Abechlußplatten(3, 4 bzw. 6) eine chemisch mit dem Füllmedium der Vorrichtung verträgliche Sinterschicht (20, 20', 20") aufgebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenstege (10) im Bereich ihrer Ober- und Unterkante (15 bzw. 16) in Richtung der Sinter- ' schicht (20) der Abschlußplatten (3 bzw. 4) abgebogen ausgeführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Wabenstege (10) zur Herstellung einer Wabenstruktur (sechseckförmig, kreisförmig oder wellenförmig) untereinander über eine Sinterschicht hergestellt ist.

12." Juli 1972 BAD

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