DE4219781C1 - - 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 Wärmeträgerme­ dium vorgesehen sind und bei dem im Strömungskanal für den Dampf wenigstens eine über eine Ansaugöffnung mit dem Flüssigkeitskanal verbundene düsenförmige Querschnitts­ verringerung angeordnet ist.

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 wärmeabge­ benden Seite geleitet. Dort kondensiert der Dampf, wo­ bei die in ihm gespeicherte latente Wärme an die Umge­ bung 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 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 wesentlich 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 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 Ventil­ düse, 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 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 Ansprüchen angegeben.

Das Wärmerohr nach der Erfindung vereinigt dabei die aus der genannten Literaturstelle bekannten Lösungsan­ sätze für die Beseitigung von Blockaden durch Gas- bzw. Dampfblasen, nämlich die Anordnung von Entlüftungs­ löchern einerseits und den Einsatz von Venturidüsen andererseits, ohne jedoch mit deren Nachteilen behaftet zu sein.

Sie bewirkt dabei eine völlig selbsttätige Absaugung vorhandener Gas- oder Dampfblasen. Dadurch, daß er­ findungsgemäß die Druckabsenkung durch die Venturidüse unmittelbar oberhalb der Absaugbohrung für die Gas­ bzw. Dampfblasen angeordnet ist, ist ein Entgasen des Wärmerohres auch während des Betriebes möglich. Andererseits verringern sich durch den Fortfall eines Ansaugrohres die Anforderungen hinsichtlich der für die Absaugung notwendigen Druckabsenkung im Bereich der Venturidüse ganz erheblich, so daß die Leistungseinbuße wesentlich geringer als bei den bekannten Anordnungen ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch ein Wärmerohr, und zwar einen Teil der Transportzone zwischen dem Ver­ dampfer- und dem Kondensatorbereich.

Das Wärmerohr ist in seiner Längsrichtung durch ein Profilblech 1 in zwei Kanäle 2 und 3 unterteilt, von denen der in der Zeichnung obere Kanal 2, der Dampf­ kanal, den größeren Querschnitt aufweist. Der untere Kanal 3 bildet den Flüssigkeitskanal für das vom Kon­ densatorbereich zum Verdampferbereich zurückströmende Wärmeträgerfluid.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist das Profil­ blech 1 in regelmäßigen Abständen, die bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils etwa einen Meter betragen können, mit Aufwölbungen 4, 5 versehen, die sich in den Dampfkanal 2 erstrecken und die in diesem jeweils eine Querschnittsverringerung bewirken. An den Spitzen der Aufwölbungen 4, 5 sind Durchgangs­ bohrungen 6, 7 in das Profilblech 1 eingebracht, die den Flüssigkeitskanal 3 mit dem Dampfkanal 2 verbinden und die im Fall des hier beschriebenen Ausführungs­ beispiels einen Durchmesser von etwa 0,2 mm aufweisen. In der Figur ist ferner angedeutet, daß das Profilblech 1 zwischen je zwei Aufwölbungen 4, 5 nicht parallel zur Längsachse des Rohres verläuft, sondern von der Mitte zwischen den beiden Aufwölbungen 4, 5 zu diesen hin jeweils leicht ansteigend, so daß der Strömungsquer­ schnitt des Flüssigkeitskanals 3 jeweils in Richtung auf beide Aufwölbungen 4, 5 hin kontinuierlich zunimmt.

Befindet sich nun, wie in der Figur dargestellt, eine Gas- oder Dampfblase 8 im Flüssigkeitskanal 3, so wird diese, sofern sich das Wärmerohr im Betrieb befindet, mit dem Flüssigkeitsstrom in Richtung auf die nächst­ folgende Aufwölbung, im hier dargestellten Fall die Aufwölbung 4, befördert. Zugleich bewirken die Auf­ wölbungen 4 und 5, wie vom Prinzip der Venturidüsen her bekannt, im Dampfkanal 2 lokale Erhöhungen der Strömungsgeschwindigkeit des Dampfstromes, da der Strömungsquerschnitt für den Dampf im Bereich der Auf­ wölbungen verringert ist. Folge dieses lokalen Ge­ schwindigkeitsanstieges im Bereich der Aufwölbungen 4, 5 ist jeweils eine lokale Abnahme des Druckes in der Dampfströmung, die dazu führt, daß die Gas- bzw. Dampf­ blase 8 über die Bohrung 6 aus dem Flüssigkeitskanal 3 in den Dampfkanal 2 abgesaugt wird.

Sofern sich bereits vor der Inbetriebnahme des Wärme­ rohres Gas- oder Dampfblasen gebildet haben, wandern diese auch ohne Vorliegen einer Flüssigkeitsströmung zur nächstgelegenen Aufwölbung. Die Ursache hierfür bilden in diesem Fall die Kapillarkräfte, die daraus resultieren, daß sich der Flüssigkeitskanal 3 jeweils in Richtung auf die Aufwölbung 4, 5 hin kontinuierlich erweitert.

Andererseits sind die Ausdehnung der Aufwölbungen 4, 5 und die Durchmesser der Durchgangsbohrungen 6, 7 so aufeinander abgestimmt, daß die durch die Aufwölbungen 4, 5 im Dampfkanal 2 hervorgerufene Druckabsenkung so gering ist, daß für den Zeitraum, in dem sich keine Gas- oder Dampfblase vor der Durchgangsbohrung 6, 7 befindet, die Flüssigkeit, die sich aufgrund der Kapillarwirkung der Bohrungen in diesen sammelt, nicht in den Dampfstrom abgesaugt sondern durch die Kapillar­ kräfte festgehalten wird.

Anzumerken ist noch, daß es, abweichend von dem voran­ gehend beschriebenen Ausführungsbeispiel selbstver­ ständlich auch möglich ist, die engste Stelle des Flüssigkeitskanals nicht in die Mitte zwischen zwei Aufwölbungen zu plazieren, sondern beispielsweise je­ weils im unmittelbaren Anschluß an die stromaufwärts gelegene Aufwölbung, so daß der Strömungsquerschnitt des Flüssigkeitskanals praktisch im gesamten Bereich zwischen zwei Aufwölbungen in Strömungsrichtung konti­ nuierlich zunimmt. Dies hat insbesondere in der Anlauf­ phase des Wärmerohres den Vorteil, daß die Flüssig­ keitsströmung und die Kapillarkräfte in gleicher Richtung auf vorhandene Gas- oder Dampfblasen ein­ wirken.

Claims (4)

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 den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgermedium vorge­ sehen sind und bei dem im Strömungskanal für den Dampf wenigstens eine über eine Ansaugöffnung mit dem Flüssigkeitskanal verbundene düsenförmige Quer­ schnittsverringerung angeordnet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwand (1) zwischen dem Dampfkanal (2) und dem Flüssigkeitskanal (3) in den Dampfkanal (2) ragende Aufwölbungen (4, 5) auf­ weist, an deren Spitze jeweils eine Durchgangs­ bohrung (6, 7) eingebracht ist, und daß sich der Querschnitt des Flüssigkeitskanals (3) jeweils zu den Aufwölbungen (4, 5) hin erweitert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aufwölbungen (4, 5) im Abstand von etwa einem Meter voneinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser der Durchgangsbohrun­ gen (6, 7) etwa 0,2 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trennwand (1) als Profilblech ausgebildet ist.