DE4240082C1 - 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 den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgermedium vorgesehen sind und bei dem im Flüssigkeitskanal Mittel vorgesehen sind, um in der Flüssigkeit befind­ liche Gas- oder Dampfblasen aus dieser zu entfernen.

Wärmerohre oder "heat pipes" für den Transport von Wärme sind insbesondere aus dem Bereich der Raumfahrt­ technik bereits bekannt. Bei diesen wird auf der Wärme- abgebenden Seite eine Flüssigkeit, in der Regel Ammoniak, verdampft und der Dampf wird zur wärmeab­ gebenden 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 Ver­ dampferende, zurück. Die dabei auftretende Dampf­ strömung ist eine übliche 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 Hochleistungswärmerohre wird da­ durch erzielt, daß für den Transport der Flüssigkeit Kanäle unterschiedlicher Abmessungen verwendet werden: Während im Verdampfungsbereich eine Vielzahl sehr kleiner, in Umfangsrichtung verlaufender Kanäle mit Kapillargeometrien verwendet wird, um große treibende Kapillarkräfte zu erzielen, erfolgt die Strömungs­ führung im Kondensatorbereich sowie in der Transport­ zone über nur wenige Strömungskanäle, gegebenenfalls einem einzigen Kanal mit relativ großem Durchmesser, der auch als Arterie bezeichnet wird. Auf diese Weise wird der reibungsbedingte Druckverlust minimiert, und es ergibt sich bei gleichen Kapillarkräften ein wesent­ lich 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 zwei Wärme­ rohre beschrieben, bei denen Maßnahmen zur Entfernung von Blasen und damit zur Vermeidung von Blockaden durch Gasblasen vorgesehen sind. Diese Maßnahmen bestehen in einem Fall aus einer Anordnung mit Entlüftungsbohrungen in der Wand zwischen der Arterie und dem Dampfkanal, im anderen Fall aus einer Venturidüse, die im Transport­ bereich für den Dampf angeordnet ist und die zugleich als Strahlpumpe über ein Ansaugrohr 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 wesentlich 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 während des Betriebes des Wärmerohres zuver­ lässig aus dem Strömungskanal für das Fluid entfernt werden, ohne daß hierzu eine Betriebsunterbrechung er­ forderlich ist und ohne daß die Leistungsfähigkeit des Wärmerohres wesentlich beeinträchtigt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Wärmerohr mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen, die eine optimale Ausge­ staltung des erfindungsgemäßen Wärmerohres im Hinblick auf eine möglichst geringere Beeinträchtigung der maximal erzielbaren Wärmetransportleistung bei gleich­ zeitig hoher Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz zum Ziel haben, sind in den weiteren Ansprüche angegeben.

Das Wärmerohr nach der Erfindung macht dabei Gebrauch von einer Eigenschaft einer aus einer Flüssigkeit und darin enthaltenen Gasblasen bestehenden Zweiphasen­ strömung, die aus der DE 38 26 919 C1 in Zusammenhang mit einer Treibstoff-Bevorratungsvorrichtung bekannt geworden ist: Wird diese Strömung in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine die ursprüngliche Richtung beibehält, der zweite jedoch umgelenkt wird, so fließen alle Gasblasen mit dem umgelenkten Teil­ strom, während der in der ursprünglichen Richtung weiterfließende Teilstrom blasenfrei ist. Somit wird bei dem Wärmerohr nach der Erfindung eine völlig selbsttätige Absaugung vorhandener Gas- oder Dampf blasen erreicht, ohne daß hierfür eine Betriebsunter­ brechung erforderlich ist. Zugleich ist die Leistungs­ einbuße, die aus der Anordnung einer oder mehrerer derartiger Blasenfallen in der Arterie resultiert, wesentlich geringer als bei den bekannten Anordnungen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Wärme­ rohr,

Fig. 2 ein zweites Wärmerohr im Querschnitt und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der inne­ ren Struktur der in Fig. 2 gezeigten Anordnung.

Die Darstellung in Fig. 1 gibt einen Teil der zwischen dem Verdampfer- und den Kondensatorbereich befindlichen Transportzone eines Wärmerohres wieder. Das Wärmerohr ist durch ein Profilblech 1 in zwei Kanäle 2 und 3 unterteilt, von denen der in der Zeichnung obere Kanal 2, der Dampfkanal, die größere Querschnittsfläche aufweist. Der untere Kanal 3 bildet den Flüssigkeits­ kanal für das vom Kondensatorbereich zum Verdampfer­ bereich zurückströmende Wärmefluid.

Im Flüssigkeitskanal 3, der sogenannten Arterie, ist eine Blende 4 angeordnet, die einen Teil der Quer­ schnittsfläche dieses Kanals 3 einnimmt. Mit einem geringen Abstand hinter der Blende 4 ist in strom­ abwärtiger Richtung ein Käfig 5 angeordnet, der aus einem Drahtgeflecht besteht. Die Blende 4 besteht bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel aus einem mehrlagigen Drahtgewebe.

Die Strömungsrichtung des flüssigen Mediums ist in Fig. 1 durch Pfeile gekennzeichnet. An der Blende 4 wird der Gesamtstrom dieses Mediums in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine ungehindert in seiner ursprünglichen Strömungsrichtung weiterfließt, während der andere hinter der Blende 4 scharf umgelenkt wird und dadurch in den Käfig 5 gelangt. Dieser zweite Teilstrom enthält auch praktisch alle Dampf- oder Gasblasen 6, die in der anströmenden Flüssigkeit ent­ halten sind. Erklärbar ist dieses Phänomen durch die Tatsache, daß die Flüssigkeit als die Komponente mit der größeren Massenträgheit das stärkere Bestreben hat, die ursprungliche Strömungsrichtung beizubehalten, während die erheblich leichteren Blasen 6 aufgrund ihrer geringeren Trägheit dem umgelenkten Flüssigkeits­ strom folgen.

Die mit der Flüssigkeitsströmung in den Käfig 5 be­ förderten Blasen 6 werden dort festgehalten, da auf­ grund der höheren Oberflächenspannung die Poren des Käfigs 5 für das Gas nicht durchlässig sind) wohl aber für die im stromabwärtigen Bereich des Käfigs 6 wieder aus diesem ausströmende Flüssigkeit. Derartige Blasen­ fallen können an mehreren Stellen der Arterie 3 einge­ baut werden. Sofern das Wärmerohr beispielsweise aus mehreren - gegebenenfalls zusammengeschweißten - Teil­ elementen besteht, ist es vorteilhaft, sie am Beginn jedes Teilelementes anzuordnen. Zusätzlich hat sich eine solche Blasenfalle auch am Eingang des Verdampfers als vorteilhaft erwiesen.

Die Verwendung derartiger, aus einer Blende 4 und einem stromabwärts hinter dieser angeordneten Käfig 5 be­ stehender Blasenfallen hat vor allem den Vorteil, daß die kontinuierliche Flüssigkeitsströmung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer erhalten bleibt. Die im Käfig 5 gefangenen Blasen 6 können sich zwar am strom­ abwärtigen Ende dieses Käfigs 5 zu einer großen Blase 7 vereinigen, jedoch können diese, wegen der Form des Käfigs 5, nicht so groß werden, daß sie den gesamten Querschnitt des Flüssigkeitskanals 3 blockieren.

Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Wärmerrohr ist der Käfig in die Innenstruktur des Wärmerohres integriert. Statt eines einfachen Profilblechs, wie im Fall des vorangehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiels, ist bei dem in Fig. 2 im Querschnitt gezeigten Wärmerohr ein Strangpreßprofil 11 eingesetzt, das sowohl für den Transport dampfförmigen Wärmeträger­ mediums zwei Kanäle 12 und 13 als auch für die flüssige Phase zwei Kanäle 14 und 15 schafft. Innerhalb der Kanäle 14 und 15 werden durch zwei stegartige Ansätze 16 und 17 des Strangpreßprofils 11 zusätzlich zwei Bereiche 18 und 19 abgetrennt, die als sogenannte Hilfsarterien dienen und auf deren Funktion hier nicht näher eingegangen werden soll. Im unteren, gemeinsamen Teil der Kanäle 14 und 15 befindet sich der Käfig 20, der im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels gleichsam einen separaten, sich über den gesamten Bereich der Transportzone bis in die Verdampferzone hinein sich erstreckenden Teilraum bildet, vor dem in stromaufwärtiger Richtung eine in der Figur nicht dargestellte Blende angeordnet ist. Die Abmessungen dieser Blende entsprechen dabei in etwa dem Querschnitt des vom Käfig 20 gebildeten Teilbereiches des Flüssig­ keitskanals.

Wie insbesondere die Fig. 3 zeigt, sind diejenigen Teile des Strangpreßprofils 11, die den Dampf- vom Flüssigkeitsraum und von diesem wiederum den Käfig 20 trennen, jeweils perforiert ausgebildet. Zusätzlich sind in dem in Fig. 3 im Vordergrund dargestellten Verdampferbereich die Trennwände zwischen dem Dampf- und dem Flüssigkeitsraum mit schmalen Schlitzen 21 versehen, die der Verbindung mit in der Figur nicht dargestellten Umfangsrillen dienen. Auch bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sammeln sich die in der Flüssigkeit enthaltenen Dampf bzw. Gasblasen im Käfig 20, so daß die darüber befindlichen Querschnitte der Kanäle 14 und 15 eine praktisch blasenfreie Flüssigkeitsströmung enthalten.

Claims (5)

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 vorhanden sind und bei dem ferner Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche Blasen in den Dampfkanal zu befördern, dadurch gekennzeich­ net, daß im Flüssigkeitskanal (3, 14, 15) wenigstens eine einen Teil des Strömungsquerschnitts dieses Kanals ausfüllende Blende (4) angeordnet ist, hinter der in stromabwärtiger Richtung käfigartige Teilbereiche (5, 20) des Flüssigkeitskanals (3, 14, 15) durch Trennelemente abgetrennt sind, die nur für die flüssige, nicht aber für die Gas- bzw. Dampfphase durchlässig sind.

2. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (5) als Käfige ausgebildet sind, deren Wände von einem Drahtgeflecht gebildet werden.

3. Wärmerohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Käfige (5) im Abstand hintereinander im Flüssigkeitskanal (3) angeordnet sind.

4. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (20) durch ein in Längsrich­ tung des Rohres verlaufendes perforiertes Profil­ blech begrenzt werden.

5. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (4) aus wenigstens einer Lage eines Drahtgewebes besteht.