DE2624407A1 - Heat transmitting tube with porous wick - has wick with larger pores than in inner layer facing chamber to create capillary action - Google Patents

Abstract

The heat transmitting tube operates with vaporising working fluid and has a wick. The latter has first layer with large pores which is covered on the boundary surface to the vapour chamber with a second small pore layer. The dia. of the small pores is pref.half the dia. of the large pores. The heat transmitted is increased by this special design of the wick. The wick consists of a layer (6) with large pores. The boundary surface facing the internal chamber (3) is formed by a layer (7) with small pores. The thickness of this layer is of the same order as its pore dia. A capillary action takes place between inner and outer layers.

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our mark:

Berlin und München _ YPA 76 P 3096 BRDBerlin and Munich _ YPA 76 P 3096 FRG

WärmerohrHeat pipe

(Zusatz zur Patentanmeldung P 25 15 753 vom 10.4.75)(Addition to patent application P 25 15 753 of April 10, 1955)

Das Hauptpatent (Patentanmeldung P 25 15 753.5) bezieht sich auf ein Wärmerohr mit einem verdampbaren Arbeitsfluid und einem Docht, wobei der Docht aus einer ersten Schicht mit großporiger Struktur aufgebaut ist, die an der Grenzfläche zum Dampfraum mit einer zweiten kleinporigen Schicht versehen ist, wobei der Porendurchmesser der kleinporigen Schicht vorzugsweise weniger als die Hälfte des Porendurchmessers der großporigen Schicht beträgt.The main patent (patent application P 25 15 753.5) refers focus on a heat pipe with a vaporizable working fluid and a wick, wherein the wick is composed of a first layer with a large-pored structure that is at the interface with the The vapor space is provided with a second small-pore layer, the pore diameter of the small-pore layer preferably is less than half the pore diameter of the large-pored layer.

Aus der DT-OS 21 30 822 ist ein Wärmerohr bekannt, dessen Docht aus einer Kapillarstruktur mit großem Durchmesser der einzelnen Poren besteht, auf welche eine zweite Kapillarstruktur mit Poren kleinen Durchmessers aufgebracht ist, insbesondere aufgesintert ist. Beide Kapillarstrukturen weisen in etwa die gleiche Dicke auf.From DT-OS 21 30 822 a heat pipe is known whose wick from a large diameter capillary structure of each There is pores on which a second capillary structure with pores of small diameter is applied, in particular sintered on is. Both capillary structures have approximately the same thickness.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmerohr der eingangs genannten Art eine Steigerung der abführbaren Wärmemenge durch eine spezielle Ausgestaltung des Dochtes zu erzielen.The invention is based on the object in a heat pipe of the type mentioned at the outset, an increase in the amount of heat that can be dissipated through a special design of the wick achieve.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Docht aus einer Schicht mit großporiger Struktur besteht, deren Grenzfläche zum Dampfraum von einer Schicht mit kleinporiger Struktur gebildet ist, deren Dicke in der Größenordnung ihres Porendurchmessers liegt, d.h. es handelt sich um eine "nionoporige" Schicht.According to the invention, this object is achieved in that the wick consists of a layer with a large-pored structure, their interface to the vapor space of a layer with small pores Structure is formed, the thickness of which is in the order of magnitude of its pore diameter, i.e. it is a "non-porous" layer.

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Gud 21 Or / 21.5.76 7Q9851 /0028 Gud 21 Or / 21.5.76 7Q9851 / 0028

Die Wirkurgswe.1 se eines erfindungagemäßen Wärmerohres wird wie foügt erläutert:The Wirkurgswe.1 se a heat pipe according to the invention is as explained below:

Eine Dochtstruktur mit kleinen Poren ermöglicht einerseits hohe Kapillardruckdifferenzen und damit ein gutes Transportvermögen; andererseits setzen kleine Poren der Rückströmung des Arbeitsfluids einen erhöhten Widerstand entgegen, der dem Kapillartran&portvermögen entgegenwirkt. Bei einer Dochtstruktur mit großen Poren ist zwar der Widerstand gegen die RUckströmung des kondensierten Arbeitsfluids klein, andererseits verringert aber die geringe Kapillardruckdifferenz das Transportvermögen des Dochtes.A wick structure with small pores enables, on the one hand, high pores Capillary pressure differences and thus a good transport capacity; on the other hand, small pores set the backflow of the working fluid an increased resistance to the capillary oil and port capacity counteracts. In the case of a wick structure with large pores, the resistance to the backflow is condensed working fluid small, on the other hand, however, the low capillary pressure difference reduces the transport capacity of the Wicks.

Beim erfindungsgemäßen Docht werden diese Nachteile vermieden.With the wick according to the invention, these disadvantages are avoided.

Der Rücktransport des Arbeitsfluids erfolgt in der großporigen Dochtstruktur. Die großen Poren verhindern die Blockierung der Transportstrecke durch Dampfblasenbildung. Die großen Poren bilden im Vergleich zu kleinen Poren einen wesentlich größeren freien Strömungsquerschnitt, der der Rückströmung des konden-The working fluid is transported back in the large-pored Wick structure. The large pores prevent the blockage of the Transport route due to the formation of vapor bubbles. The large pores form a significantly larger one compared to the small pores free flow cross-section, which corresponds to the return flow of the condensate

''O sierten Arbeitsfluids nur einen geringen Widerstand entgegensetzt. Die Poren der großporigen Schicht sollen einen Durchmesser von 0,1 mm bis 1 mm aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,5 mm.'' Opposed working fluids only a slight resistance. The pores of the large-pored layer should have a diameter of 0.1 mm to 1 mm, preferably a diameter of about 0.5 mm.

2t Die kleinporige Schicht ist dagegen so dünn wie möglich gehalten, da der Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, daß die Kapillarkraft ausschließlich an der zweidimensionalen Grenzfläche zwischen dem Docht und dem Dampfraum auftritt. Es genügt daher, wenn erfindungsgemäß nur diese Grenzfläche eine kleinporige Struktur aufweist. In einer dreidimensional räumlich ausgedehnten kleinporigen Schicht, wie sie in der eingangs erwähnten DT-OS 21 30 822 vorgesehen ist, würde die Kapillarwirkung nicht weiter gesteigert werden, dafür aber der Strömungswiderstand für das kondensierte Arbeitsfluid vergrößert werden. Die Poren der kleinporigen' Schicht sollen einen Durchmesser von 5 /um bis 100 /um aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von 20 /um. 2t The small pore layer is, however, kept as thin as possible, since the invention is based on the recognition that the capillary force acts exclusively on the two-dimensional interface between the wick and the vapor space. It is therefore sufficient if, according to the invention, only this interface has a structure with small pores. In a three-dimensional, spatially extended, small-pored layer, as provided in DT-OS 21 30 822 mentioned above, the capillary effect would not be increased any further, but the flow resistance for the condensed working fluid would be increased. The pores of the small-pore layer should have a diameter of 5 μm to 100 μm, preferably a diameter of 20 μm.

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Die Dicke der kleinporigen Schicht soll in etwa einem Porendurchmesser ihrer kleinen Poren entsprechen.The thickness of the small-pore layer should be approximately one pore diameter match their small pores.

Die mit einem erfindungsgemäßen Wärmerohr abführbare Wärmemenge wird vergrößert, da die RUckströmung des kondensierten Arbeite fluids durch die hohe Kapillarkraft der monoporigen kleinporigen Schicht und durch den geringen Strömungswiderstand der großporigen Schicht optimiert ist. Das erfindungsgemäße Wärmerohr kann entweder bei gleichen Abmessungen eine größere Wärmemenge abführen oder bei gleicher abgeführter Wärmemenge länger und/oder dünner sein oder besser fcegen die Schwerkraft arbeiten. Außerdem ist man bezüglich der Auswahl des Arbeitsfluids freier.The amount of heat that can be dissipated with a heat pipe according to the invention is increased because the return flow of the condensed work fluid due to the high capillary force of the monoporous, small-pored layer and the low flow resistance of the large-pored layer is optimized. The heat pipe according to the invention can either have a larger amount of heat with the same dimensions dissipate or, with the same amount of heat dissipated, be longer and / or thinner or, better, work gravity. In addition, one is more free with regard to the selection of the working fluid.

Um eine Dampfblasenbildung auch an der an der Wandung des Wärmerohres anliegenden Oberfläche des Dochtes noch besser zu verhindern, kann aach einer Ausgestaltung der Erfindung die Schicht mit großporiger Struktur auch an ihrer der Wandung des Wärmerohres zugewandten Mantelfläche mit einer weiteren einzigen Schicht mit kleinporiger Struktur versehen sein.In order to even better prevent the formation of vapor bubbles on the surface of the wick lying against the wall of the heat pipe can prevent, according to one embodiment of the invention, the layer with large-pored structure also on its wall of the The jacket surface facing the heat pipe can be provided with a further single layer with a small-pore structure.

Eine besonders leicht herstellbare Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die dünne zweidimensionale Schicht mit kleinporiger Struktur aus einer einzigen Lage eines feinmaschigen Netzes besteht. Das feinmaschige Netz wird auf einen Dorn aufgewickelt, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der großporigen Dochtstruktur. Das aufgewickelte feinmaschige Netz wird dann in die großporige Struktur eingesteckt und der Dorn herausgezogen. Das feinmaschige Netz legt sich eng an die Innenwandung der großporigen Struktur an und bildet die gewünschte "monoporige" Grenzfläche.A particularly easy-to-manufacture embodiment of the invention is that the thin two-dimensional layer with small-pored Structure consists of a single layer of fine-meshed net. The fine-meshed net is wound on a mandrel, whose diameter is smaller than the inner diameter of the large-pored wick structure. The coiled fine-mesh Mesh is then inserted into the large-pored structure and the mandrel pulled out. The fine-meshed network lies down closely to the inner wall of the large-pored structure and forms the desired "monoporous" interface.

Der gesamte Docht ist besonders einfach herstellbar, wenn die Schicht mit großporiger Struktur aus einem großmaschigen Netz hergestellt ist. Zur Herstellung eines derartigen Dochtes wird man an das eine oder an beide Enden eines bandförmigen großmaschigen Netzes ein oder zwei Stücke eines feinmaschigen Netzes ansetzen. Das gesamte Band wird dann auf einen Dorn aufgewickelt, dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Wärmerohres. Die Bandlänge des großmaschigen Netzes wix'd VPA 75 E. 3019 709851/0028The entire wick is particularly easy to manufacture if the layer with a large-pored structure consists of a large-meshed network is made. To produce such a wick, one or both ends of a ribbon-shaped large-meshed wick is used Put on one or two pieces of a fine-meshed net. The entire tape is then wound onto a mandrel, whose diameter is smaller than the inner diameter of the heat pipe. The ribbon length of the wide mesh network wix'd VPA 75 E. 3019 709851/0028

so gewählt, daß sich nach dem Aufwickeln eine Dochtstruktur mit einer gewünschten Anzahl von Netzlagen der großporigen Schicht ergibt, wobei an der Grenzschicht zum Dampfraum bzw. auch an der Grenzschicht zur Wandung eine einzige feinmaschige Netzlage angebracht ist. Das aufgewickelte Netz wird dann in die Rohrwandung des Wärmerohres eingesteckt und der Dorn herausgezogen. Bei Verwendung von Wasser als Arbeitsfluid haben sich Netze aus Phosphorbronze als besonders korrosionsbeständig erwiesen. Derartige Netze aus Phoephorbronze lassen sich insbesondere auch mit sehr großer Maschenzahl pro Flächeneinheit herstellen, d.h. es lassen sich sehr kleine Porendurchmesser realisieren.chosen so that after winding a wick structure with a desired number of network layers of the large-pored layer results, with at the boundary layer to the vapor space or also at the boundary layer to the wall is attached to a single fine-meshed net layer. The coiled mesh is then inserted into the pipe wall of the heat pipe inserted and the mandrel pulled out. If water is used as the working fluid, networks have developed Phosphor bronze has proven to be particularly resistant to corrosion. Such networks made of phosphor bronze can also in particular be used Manufacture with a very large number of meshes per unit area, i.e. very small pore diameters can be achieved.

Es ist auch möglich, daß der eigentliche Docht aus einer großporigen hohlyylindrisehen Sinterschicht besteht, an deren Innendurchmesser, bzw. an deren Innen- und Außendurchmesser, dünnwandige kleinporige Schichten aufgesintert sind, oder an deren Innendurchmesser, bzw. an deren Innen-und Außendurchmesser feinmaschige Netze angebracht sind.It is also possible that the actual wick consists of a large-pored hollow cylindrical sintered layer, at the inside diameter of which or on the inside and outside diameter of which thin-walled, small-pore layers are sintered, or on their Inside diameter, or fine-meshed at their inside and outside diameter Nets are attached.

' <3 Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert:'<3 The invention is explained with reference to the accompanying drawings:

Fig. 1 zeigt ein Wärmerohr. Im Inneren eines hohlzylindrischen Dochtes 1, der sich am Innendurchmesser der Wandung 2 des Wärmerohres abstützt, befindet sich ein Dampfraum 3. Das Innere des Wärmerohres ist evakuiert und mit einer geringen Menge eines verdampfbaren Arbeitsfluids gefüllt, beispielsweise mit Wasser oder mit Alkohol. Das eine Ende des Wärmerohres 1st in. Kontakt mit einer Wärmequelle, beispielsweise einem heißen B*uteil 4, von dem Wärme abgeführt werden soll. Das gegenüberliegende Ende des Wärmerohres ist gekühlt, wie durch die Kühlrippen 5 angedeutet ist. Im Bereich des heißen Bauteiles 4 bildet sich ein Verdampfungsabschnitt. Dort verdampft das Arbeitsfluid im Docht Der Dampf tritt in den Dampfraum 3 ein. Im Bereich der Kühlrippen 5 bildet sich ein Kondensationsabschnitt. Hier kondensiert das verdampfte Arbeitsfluid und wird vom Docht 1 aufgesogen. Der Dampfdruck im Bereich des VerdamjJfungsabschnittes ist somit höher als im Bereich des Kondensationsabschnittes.Fig. 1 shows a heat pipe. Inside a hollow cylindrical wick 1, which is located on the inner diameter of the wall 2 of the heat pipe is supported, there is a steam room 3. The interior of the The heat pipe is evacuated and filled with a small amount of a vaporizable working fluid, for example with water or with alcohol. One end of the heat pipe is in contact with a heat source, for example a hot part 4, from which heat is to be dissipated. The opposite end of the heat pipe is cooled, as indicated by the cooling fins 5 is. An evaporation section forms in the area of the hot component 4. There the working fluid evaporates in the wick The steam enters the steam space 3. In the area of the cooling fins 5 forms a condensation section. The evaporated working fluid condenses here and is absorbed by the wick 1. The vapor pressure in the area of the evaporation section is thus higher than in the area of the condensation section.

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Die DampfmolekUle bewegen sich vom Verdampfungsabschnitt in Richtung aufdden Kondensationsabschnitt. Das im Kondensationsabschnitt kondensierte Arbeitsfluid wird durch die Kapillarwirkung des Dochtes zurück in den Verdampfungsabschnitt gesaugt.The vapor molecules move in from the evaporation section Towards the condensation section. The working fluid condensed in the condensation section is released by capillary action of the wick is sucked back into the evaporation section.

Fig. 2 zmk%t zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen der innerhalb der Rohrwandung 2 angeordnete Docht aus mehreren Lagen eines großmaschigen Netzes 6 und einer einzigen inneren Lage eines kleinmaschigen Netzes 7 besteht. In dem in der linken Hälfte der Flg. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch zwischen der Rohrwandung 2 und dem Docht eine weitere Lage 10 eines feinmaschigen Netzes vorgesehen. Die innere Lage des feinmaschigen Netzes 7 bildet die Grenzfläche des Dochtes kum Dampfraum, an der die Kapillarwirkung auftritt.2 shows two exemplary embodiments of the invention in which the wick arranged within the pipe wall 2 consists of several layers of a large-meshed net 6 and a single inner layer of a small-meshed net 7. In the left half of the wing. 2, a further layer 10 of a fine-meshed network is also provided between the pipe wall 2 and the wick. The inner layer of the fine-meshed network 7 forms the boundary surface of the wick and the vapor space at which the capillary action occurs.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines aus einem Sintermaterial hergestellten Dochtes. Eine räumlich ausgedehnte Schicht 8 mit großporiger Struktur ist an ihrem Innendurchmesser mit einer sehr dünnen Schicht 9 mit kleinporiger Struktur ausgekleidet. Die Schicht 9 mit kleinporiger Struktur kann auf einfache Weise wiederum durch eine einzige Lage eines kleinmaschigen Netzes realisiert sein, insbesondere eines Netzes aus Phosphorbronze.Fig. 3 shows an embodiment of one made of a sintered material manufactured wicks. A spatially extended layer 8 with a large-pored structure is on its inner diameter lined with a very thin layer 9 with a small-pore structure. The layer 9 with a small-pore structure can be on in turn, be implemented in a simple manner by a single layer of a small-meshed network, in particular a network made of phosphor bronze.

6 Patentansprüche
3 Figuren6 claims
3 figures

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Claims (5)

PatentansprücheClaims Wäpmerohr mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid und einem Docht, wobei der Docht aus einer ersten Schicht mit großporiger Struktur aufgebaut ist, die an der Grenzfläche zum Dampfraum mit einer zweiten kleinporigen Schicht versehen ist, wobei der Porendurchmesser der kleinporigen Schicht vorzugsweise weniger als die Hälfte des Porendurchmessers des großporigen Schicht beträgt, nach Patentanmeldung φ 25 15 753.3), dadurch gekennzeichnet, daß der Docht aus einer Schicht (6; 8) mit groflporiger Struktur besteht, deren Grenzfläche zum Dampfraum (3) von einer Schicht (7; 9) mit kleinporiger Struktur gebildet ist, deren Dicke in der Größenordnung ihres Porendurchmessers liegt.Heat pipe with a vaporizable working fluid and a wick, the wick being composed of a first layer with a large-pore structure which is provided with a second small-pore layer at the interface with the vapor space, the pore diameter of the small-pore layer preferably being less than half the pore diameter of the large-pored layer, according to patent application φ 25 15 753.3), characterized in that the wick consists of a layer (6; 8) with a large-pored structure, the boundary surface of which with the vapor space (3) is formed by a layer (7; 9) with a small-pored structure whose thickness is in the order of magnitude of their pore diameter. 2. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der großporigen Schicht einen Durchmesser von 0,1 mm bis 1 mm aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,5 mm.2. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the Pores of the large-pored layer have a diameter of 0.1 mm to 1 mm, preferably a diameter of about 0.5 mm. 3. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der kleinporigen Schicht einen Durchmesser von 5 /um bis 100 /um aufweisen, vorzugsweise einen Durchmesser von 20 /um.3. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the pores of the small-pore layer have a diameter of 5 / um to 100 μm, preferably a diameter of 20 μm. 4. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit (6) mit großporiger Struktur aach an ihrer dar4. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the Layer with (6) with a large-pored structure also on theirs Wandung des Wärmerohres zugewandten Mantelfläche mit einer weiteren Schicht (10) mit kleinporiger Struktur versehen ist, deren Dicke in der Größenordnung ihres Porendurchmessers liegt.
30Wall of the heat pipe facing jacket surface is provided with a further layer (10) with a small-pored structure, the thickness of which is in the order of magnitude of its pore diameter.
30th 5. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) mit großporiger Struktur aus mehreren Lagen eines großmaschigen Netzes gewickelt ist und daß die dünne Schicht (7) mit kleinporiger Struktur aus einer einzigen inneren Lage eines kleinmaschigen Netzes besteht.5. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the Layer (6) with a large-pored structure is wound from several layers of a large-meshed network and that the thin Layer (7) with a small-pored structure consists of a single inner layer of a fine-meshed network. 709851/0028709851/0028 VPA 75 E 3019VPA 75 E 3019 -jf-1 262UQ7-jf-1 262UQ7 Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Docht aus einer großporigen hohlzylindrischen Sinterschicht (8) besteht, an deren Innendurchmesser eine einzige innere Lage eines kleinmaschigen Netzes (9) vorgesehen ist.Heat pipe according to Claim 1, characterized in that the wick consists of a large-pored hollow cylindrical sintered layer (8), on the inner diameter of which a single inner layer of a small-meshed network (9) is provided. VPA 75 E 3019VPA 75 E 3019 709851/0028709851/0028