[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Wärme, bestehend aus einem
mit einem Wärmeträgermedium 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 befindliche Gas- oder Dampfblasen aus dieser zu entfernen.
[0002] Wärmerohre oder "heat pipes" für den Transport von Wärme sind insbesondere aus dem
Bereich der Raumfahrttechnik bereits bekannt. Bei diesen wird auf der wärmeabgebenden
Seite eine Flüssigkeit, in der Regel Ammoniak, verdampft und der Dampf wird zur wärmeabgebenden
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 Verdampferende, zurück. Die dabei auftretende Dampfströmung
ist eine übliche Druckströmung, während die Flüssigkeitsströmung eine Kapillarströmung
ist. Unterschiedliche Krümmungsradien der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und
dem Dampf im verdampferende einerseits und im Kondensatorende andererseits und die
dadurch hervorgerufenen Kapillarkräfte bewirken eine Druckdifferenz in Richtung Verdampferende,
die die Strömung antreibt. Die sich einstellende Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich
aus dem Gleichgewicht zwischen dem Druckverlust aufgrund von Reibungskräften und der
wirksamen Druckdifferenz der Kapillarkräfte.
[0003] 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.
[0004] Diese im Vergleich zu konventionellen Wärmerohren höhere Leistung der Hochleistungswärmerohre
wird dadurch 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 Strömungsführung im Kondensatorbereich
sowie in der Transportzone 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 wesentliche größerer Fluidmassenstrom und als dessen Folge ein
ebenfalls wesentlich höherer Wärmestrom.
[0005] Ein wesentliches Problem beim Betrieb derartiger Hochleistungswärmerohre liegt darin,
daß ihre Funktion erheblich beeinträchtigt bzw. ganz unterbrochen werden kann, wenn
sich Blasen aus dem Dampf des Wärmeträgerfluids 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 Wärmerohres, beispielsweise eine Überhitzung am Verdampferende bei
kurzzeitiger Austrocknung der Verdampfungszone, entstanden sein. Die Blasen können
den Transport des Wärmeträgerfluids zur wärmeaufnehmenden Zone unterbrechen, so daß
diese weiter austrocknet und das Wärmerohr in seiner Funktion blockiert wird.
[0006] In der Literaturstelle Heat Pipe Design Handbook, Volume 1, B & K Engineering Inc.,
Towson, Maryland 21204, USA, Seiten 149 und 152, sind zwei Wärmerohre beschrieben,
bei denen Maßnahmen zur Entfernung von Blasen und damit zur Vermeidung von Blockaden
durch Glasblasen 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 Venturi-düse, die im Transportbereich für den Dampf angeordnet
ist und die zugleich als Strahlpumpe über ein Ansaugrohr in der Arterie vorhandene
Gasblasen absaugt.
[0007] 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 Dampfkanal eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist. Da dann aber die Entlüftungsbohrungen
von Flüssigkeitsbrücken blockiert sind, die zunächst verdampfen müssen bevor die Gasblasen
hindurchtreten können, erfordern diese Betriebspausen einen vergleichsweise langen
Zeitraum, bevor das Wärmerohr wieder einsatzbereit ist.
[0008] Die Anordnung einer Venturidüse im Dampfkanal hat andererseits den folgenden Nachteil:
Befindet sich keine Gasblase im Ansaugbereich der Düse, so sammelt sich ständig eine,
wenn auch geringe, Menge an Wärmeträgerfluid aus der Arterie im Ansaugrohr. Wenn nun
eine Gasblase 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 Druckverlustes 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.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmerohr der eingangs genannten Art so auszubilden,
daß Dampfblasen des Wärmeträgerfluids sowie Blasen aus nicht kondensierbarem Gas während
des Betriebes des Wärmerohres zuverlässig aus dem Strömungskanal für das Fluid entfernt
werden, ohne daß hierzu eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist und ohne daß die
Leistungsfähigkeit des Wärmerohres wesentlich beeinträchtigt wird.
[0010] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Wärmerohr mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen, die eine optimale Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Wärmerohres im Hinblick auf eine möglichst geringere Beeinträchtigung der maximal
erzielbaren Wärmetransportleistung bei gleichzeitig hoher Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz
zum Ziel haben, sind in den weiteren Ansprüche angegeben.
[0012] Das Wärmerohr nach der Erfindung macht dabei Gebrauch von einer Eigenschaft einer
aus einer Flüssigkeit und darin enthaltenen Gasblasen bestehenden Zweiphasenströmung,
die aus der DE 38 26 919 C 1 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 Teilstrom, 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 Dampfblasen
erreicht, ohne daß hierfür eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist. Zugleich ist
die Leistungseinbuße, die aus der Anordnung einer oder mehrerer derartiger Blasenfallen
in der Arterie resultiert, wesentlich geringer als bei den bekannten Anordnungen.
[0013] Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch ein erstes Wärmerohr,
- Fig. 2
- ein zweites Wärmerohr im Querschnitt und
- Fig. 3
- eine perspektivische Darstellung der inneren Struktur der in Fig. 2 gezeigten Anordnung.
[0014] 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 Flüssigkeitskanal für das vom Kondensatorbereich zum Verdampferbereich zurückströmende
Wärmefluid.
[0015] Im Flüssigkeitskanal 3, der sogenannten Arterie, ist eine Blende 4 angeordnet, die
einen Teil der Querschnittsfläche dieses Kanals 3 einnimmt. Mit einem geringen Abstand
hinter der Blende 4 ist in stromabwärtiger Richtung ein Käfig 5 angeordnet, der aus
einem Drahtgeflecht besteht. Die Blende 4 besteht bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
aus einem mehrlagigen Drahtgewebe.
[0016] 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 enthalten sind. Erklärbar ist dieses Phänomen
durch die Tatsache, daß die Flüssigkeit als die Komponente mit der größeren Massenträgheit
das stärkere Bestreben hat, die ursprüngliche Strömungsrichtung beizubehalten, während
die erheblich leichteren Blasen 6 aufgrund ihrer geringeren Trägheit dem umgelenkten
Flüssigkeitsstrom folgen.
[0017] Die mit der Flüssigkeitsströmung in den Käfig 5 beförderten Blasen 6 werden dort
festgehalten, da aufgrund 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 Blasenfallen können an mehreren
Stellen der Arterie 3 eingebaut werden. Sofern das Wärmerohr beispielsweise aus mehreren
- gegebenenfalls zusammengeschweißten - Teilelementen besteht, ist es vorteilhaft,
sie am Beginn jedes Teilelementes anzuordnen. Zusätzlich hat sich eine solche Blasenfalle
auch am Eingang des Verdampfers als vorteilhaft erwiesen.
[0018] Die Verwendung derartiger, aus einer Blende 4 und einem stromabwärts hinter dieser
angeordneten Käfig 5, bestehenden Blasenfallen hat vor allem den Vorteil, daß die
kontinuierliche Flüssigkeitsströmung zwischen den Kondensator und dem Verdampfer erhalten
bleibt. Die im Käfig 5 gefangenen Blasen 6 können sich zwar am stromabwärtigen 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.
[0019] Bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Wärmerohr ist der Käfig in die Innenstruktur
des Wärmerohres integriert. Statt eines einfachen Profilblechs, wie im Fall des vorangehend
beschriebenen Ausführungsbeispiels, ist bei dem in Fig. 2 im Querschnitt gezeigten
Wärmerohr ein Strangpreßprofil 11 eingesetzt, das sowohl für den Transport dampfförmigen
Wärmeträgermediums 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 Flüssigkeitskanals.
[0020] Wie insbesondere die Fig. 3 zeigt, sind diejenigen Teile des Strangpreßprofils 11,
die den Dampf- vom Flüssigkeitsraum 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.
1. Anordnung zur Übertragung von Wärme, bestehend aus einem mit einem Wärmeträgermedium
gefüllten Wärmerohr, in dem wenigstens je ein Strömungskanal für das flüssige und
für das in dem dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgermedium vorhanden
sind und bei dem ferner Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche
Blasen in den Dampfkanal zu befördern, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus
wenigstens einer im Flüssigkeitskanal (3,14,15) einen Teil des Strömungsquerschnitts
dieses Kanals ausfüllenden Blende (4) bestehen, 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. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (5) als Käfige
ausgebildet sind, deren Wände von einem Drahtgeflecht gebildet werden.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Käfige (5) im Abstand
hintereinander im Flüssigkeitskanal (3) angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (20) durch
ein in Längsrichtung des Rohres verlaufendes perforiertes Profilblech begrenzt werden.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende
(4) aus wenigstens einer Lage eines Drahtgewebes besteht.
1. Arrangement for transferring heat, consisting of a heat pipe, filled with a heat transfer
medium, within which there is at least one flow channel for the liquid heat transfer
medium and at least one flow channel for the heat transfer medium transferred in the
vaporous state of aggregation and in which, in addition, there are provided means
for conveying bubbles present in the liquid channel into the vapour channel, characterized
in that the means consist of at least one screen (4), within the liquid channel (3,14,15)
and filling a portion of the flow cross-section of this channel, behind which, in
the downstream direction, cage-type partial regions (5,20) of the liquid channel (3,14,15)
are separated by separating elements which are permeable only to the liquid phase,
and not to the gaseous or vaporous phase.
2. Arrangement according to Claim 1, characterized in that the partial regions (5) are
fashioned as cages whose walls are formed by a wire mesh.
3. Arrangement according to Claim 2, characterized in that several successive cages (5)
are disposed at intervals within the liquid channel (3).
4. Arrangement according to Claim 1, characterized in that the partial regions (20) are
bounded by a perforated profile plate running in the longitudinal direction of the
pipe.
5. Arrangement according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that the screen
(4) consists of at least one layer of a wire mesh.
1. Dispositif destiné à la transmission de chaleur, composé d'un tube échangeur de chaleur
alimenté par un fluide caloporteur dans lequel sont au moins prévus respectivement
un canal d'écoulement pour le fluide caloporteur liquide et un canal de passage pour
le fluide caloporteur transformé à l'état de vapeur et dans le cas duquel d'autres
moyens sont prévus pour acheminer les bulles de vapeur présentes dans le canal d'écoulement
de liquide vers le canal de passage de vapeur, caractérisé en ce que lesdits moyens
comprennent au moins un écran (4) disposé dans le canal d'écoulement de liquide (3,
14, 15) et comblant une partie de la section transversale d'écoulement de ce canal,
écran à l'arrière duquel des zones (5, 20) en forme de cages prévues dans le canal
d'écoulement de liquide (3, 14, 15) et disposées dans le sens du courant sont divisées
par des éléments de séparation perméables uniquement pour la phase liquide, mais pas
pour la phase gazeuse, respectivement pour la phase vapeur.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones (5) sont conçues
comme des cages dont les parois sont formées d'un treillis en fil métallique.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que plusieurs cages (5) sont
disposées dans le canal d'écoulement de liquide (3) à une certaine distance les unes
derrières les autres.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones (20) sont limitées
par une tôle profilée perforée dirigée dans la direction longitudinale du caloduc.
5. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que
l'écran se compose au moins d'une couche de tissu métallique.