CH632084A5

CH632084A5 - DEVICE FOR TRANSPORTING HEATING ENERGY BETWEEN TWO LOCATIONS OF DIFFERENT TEMPERATURE.

Info

Publication number: CH632084A5
Application number: CH1029778A
Authority: CH
Inventors: Peter Dr Rer Nat Rohner; Klausdieter Dipl Ing Schippl
Original assignee: Kabel Metallwerke Ghh
Priority date: 1977-10-28
Filing date: 1978-10-04
Publication date: 1982-09-15
Also published as: AU4090878A; AT358081B; DD139757A5; IT7851371A0; FR2407445A1; SE7811178L; BR7807051A; IT1106149B; CA1105922A; GB2006950B; ATA662578A; JPS5472557A; GB2006950A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Wärmeenergie zwischen zwei Orten unterschiedlicher Temperatur, z.B. für Kühlanlagen, Wärmegewinnungsanlagen oder Motorkühler, mit einem dicht verschlossenen The present invention relates to a device for transporting thermal energy between two locations of different temperatures, e.g. for cooling systems, heat recovery systems or engine coolers, with a tightly sealed

Rohr, welches mit einem Wärmeträger als Arbeitsmedium gefüllt ist, das am Ort höherer Temperatur, der Heizzone, verdampft und am Ort niedrigerer Temperatur, der Kühlzone, kondensiert und in der das Kondensat ständig zur Heizzone zurück-5 transportiert wird. Pipe which is filled with a heat transfer medium as the working medium, which evaporates at the higher temperature, the heating zone, and condenses at the lower temperature, the cooling zone, and in which the condensate is constantly transported back to the heating zone.

Solche vakuumdicht verschlossene Systeme, in deren Innenraum ein Wärmeträger zum Teil in flüssiger und zum Teil als gesättigter Dampf vorliegt, finden mehr und mehr technische und industrielle Anwendung, insbesondere auf dem Gebiet der ic Wärme- und Kältetechnik. Wird einem Bereich dieses Systems Wärme zugeführt, so verdampft dort der Wärmeträger und strömt zum kälteren oder gekühlten Bereich, wo er kondensiert und dabei seine Verdampfungswärme abgibt. Liegt die Kühlzone oberhalb der Heizzone, so wird das Kondensat aufgrund der 15 Schwerkraft in die Heizzone zurückfliessen. Thermische Bauelemente, bei denen zum Rücktransport des Kondensats die Schwerkraft ausgenutzt wird, werden als Wärmesiphons bezeichnet, während solche, bei denen der Rücktransport des Kondensats aufgrund kapillarer Kräfte bewirkt wird, als Wär-20 merohre bezeichnet werden. Such vacuum-tight closed systems, in the interior of which there is a heat transfer medium partly in liquid and partly as saturated vapor, are finding increasing technical and industrial use, particularly in the field of ic heating and cooling technology. If heat is supplied to an area of this system, the heat carrier evaporates there and flows to the colder or cooled area, where it condenses and thereby releases its heat of vaporization. If the cooling zone is above the heating zone, the condensate will flow back into the heating zone due to gravity. Thermal components in which gravity is used to return the condensate are referred to as heat siphons, while those in which the condensate is returned due to capillary forces are referred to as heat pipes.

Der Umlauf des Wärmeträgers wird durch den häufig sehr geringen Temperaturunterschied zwischen der Heiz- und der Kühlzone bewirkt. In der Heizzone herrscht ein höherer Dampfdruck als in der Kühlzone und dieses Druckgefälle treibt 25 den Dampf zum gekühlten Ende. Ein wesentlicher Vorteil dieser thermischen Bauelemente ist, dass ihre effektive Wärmeleitfähigkeit um Grössenordnungen höher ist als die der besten metallischen Leiter. Mit ihnen kann Wärme gegen die Schwerkraft transportiert werden. Sie sind einfach zu handhaben, leicht 30 zu montieren und wartungsfrei. The circulation of the heat transfer medium is caused by the often very small temperature difference between the heating and cooling zones. There is a higher steam pressure in the heating zone than in the cooling zone and this pressure drop drives the steam to the cooled end. A major advantage of these thermal components is that their effective thermal conductivity is orders of magnitude higher than that of the best metallic conductors. They can be used to transport heat against gravity. They are easy to use, easy to assemble and maintenance-free.

Diese thermischen Bauelemente müssen jedoch zunächst evakuiert und anschliessend mit einer vorbestimmten Menge eines Arbeitsmittels, d.h. dem Wärmeträger, gefüllt werden. Anschliessend muss das System druckdicht geschlossen werden. 35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung in Form eines Wärmesiphons bzw. eines Wärmerohres zu schaffen, welches bei vorgegebener Leistimg wesentlich einfacher herstellbar ist. However, these thermal components must first be evacuated and then with a predetermined amount of a working fluid, i.e. the heat transfer medium. The system must then be closed pressure-tight. 35 The invention has for its object to provide a device in the form of a heat siphon or a heat pipe, which is much easier to manufacture with a given performance.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs er-40 wähnten Art dadurch gelöst, dass das Rohr über seine Länge so geformt ist, dass es mehrmals die Heiz- und Kühlzonen durchläuft. This object is achieved in a device of the type mentioned at the outset in that the tube is shaped over its length in such a way that it passes through the heating and cooling zones several times.

Durch Formgebung eines evakuierten und gefüllten Rohres grosser Länge entstehen mehrere miteinander in Verbindung 45 stehende Wärmesiphons bzw. Wärmerohre. Dabei hat es sich als völlig überraschend erwiesen, dass ein Austrocknen eines der nebeneinanderliegenden Wärmerohre bzw. Wärmesiphons nicht vorkommt, da sich in diesem Fall die Kondensationszone des benachbarten flüssigkeitsführenden Systems in den von der 50 Austrocknung bedrohten Bereich hinein vergrössert, so dass dieser mit Flüssigkeit ausgefüllt wird. Es wird ein stabiler Zustand erreicht. The shaping of an evacuated and filled tube of great length creates several heat siphons or heat pipes connected to one another. It has proven to be completely surprising that one of the adjacent heat pipes or heat siphons does not dry out, since in this case the condensation zone of the adjacent liquid-carrying system enlarges into the area at risk of drying out, so that it fills up with liquid becomes. A stable state is reached.

Nachfolgend werden anhand der schematischen Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the schematic drawing.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, 1 shows a first embodiment,

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, 2 shows a second embodiment,

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, 3 shows a third embodiment,

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Fig. 4 shows a fourth embodiment.

60 Das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht aus einem Metallrohr 1, z.B. Kupfer-, Aluminium oder Edelstahlrohr, welches in Form einer Wendel gewickelt ist. Das Metallrohr 1 ist vorteilhafterweise aus einem Kupferband von beispielsweise 0,3 mm Wanddicke hergestellt. Das Kupferband wurde in einem 65 kontinuierlichen Arbeitsverfahren zu einem Schlitzrohr geformt, längsnahtverschweisst und anschliessend gewellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, für das Metallrohr 1 ein nahtlos gezogenes Kupferrohr zu verwenden, welches nach dem letzten 60 The first embodiment according to Fig. 1 consists of a metal tube 1, e.g. Copper, aluminum or stainless steel pipe, which is wound in the form of a spiral. The metal tube 1 is advantageously made of a copper strip, for example 0.3 mm wall thickness. The copper strip was formed into a slotted tube in a continuous working process, welded along the length and then corrugated. But there is also the possibility to use a seamless drawn copper tube for the metal tube 1, which after the last

55 55

3 3rd

632 084 632 084

Zug weichgeglüht wurde und somit gut biegbar ist. Die Windungen können gleich- oder unterschiedlich lang sein. Train was annealed and is therefore easily bendable. The turns can be the same or different lengths.

Von der gefertigten Rohrlänge wird eine bestimmte Länge abgetrennt und an beiden Enden druckdicht mittels der Kappen 2 verschlossen. Eine der Kappen 2 weist einen nicht dargestellten Rohrstutzen auf, an den eine Vakuumpumpe angeschlossen werden kann, die das Rohr evakuiert. Nach dem Evakuieren wird der Wärmeträger eingeführt und der Rohrstutzen 2 druckdicht verschlossen. Das Wickeln des Rohres 1 kann entweder vor dem Evakuieren und Füllen des Rohres 1 oder aber auch danach vorgenommen werden. A certain length is cut off from the finished pipe length and closed pressure-tight at both ends by means of the caps 2. One of the caps 2 has a pipe socket, not shown, to which a vacuum pump can be connected, which evacuates the pipe. After the evacuation, the heat transfer medium is introduced and the pipe socket 2 is closed in a pressure-tight manner. The winding of the tube 1 can be carried out either before the evacuation and filling of the tube 1 or also afterwards.

Beim Ausführungsbeispiel ist die Heizzone 3 im unteren Bereich während die Kühlzone 4 im oberen Bereich gelegen ist, so dass das Kondensat aufgrund der Schwerkraft zur Heizzone 3 zurücktransportiert wird. In the exemplary embodiment, the heating zone 3 is in the lower area while the cooling zone 4 is in the upper area, so that the condensate is transported back to the heating zone 3 due to gravity.

Zwischen den Heizzonen 3 und den Kühlzonen 4 sind Transportzonen, wobei die die Transportzonen bildenden Rohrbereiche im wesentlichen gestreckt verlaufen und eng aneinander liegen, während die die Heiz- und Kühlzonen 3 und 4 bildenden Rohrbereiche gefächert sind. Transport zones are located between the heating zones 3 and the cooling zones 4, the tube regions forming the transport zones being essentially stretched and closely adjacent to one another, while the tube regions forming the heating and cooling zones 3 and 4 are fanned out.

Beim Füllen des gewickelten Rohres 1 brauchen keine besonderen Vorkehrungen dahingehend getroffen werden, dass jede einzelne Windung mit dem Wärmeträger zumindest teilweise gefüllt ist, da sich das Arbeitsmittel nach Inbetriebnahme gleichmässig auf die einzelnen Windungen verteilt. Alle unten liegenden Bereiche bilden die Heizzone 3, während alle oben liegenden Bereiche die Kühlzone 4 bilden. Es ist also gelungen, aus einem zu einem Wärmesiphon oder Wärmerohr vorbereiteten Metallrohr 1 eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Wärmesiphons bzw. Wärmerohre herzustellen, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet bzw. den Wirkungsgrad eines Wärmerohres bzw. Wärmesiphons um ein Vielfaches erhöht. Es hat sich dabei völlig überraschend gezeigt, dass ein Austrocknen einer Rohrwindung nicht eintreten kann, da in diesem Fall die Kondensationszone der benachbarten Windungen sich bis in den Bereich der vom Austrocknen bedrohten Windungen ver-grössert, so dass das Arbeitsmittel in diese Windung wieder ein-fliesst. When filling the wound tube 1, no special precautions need to be taken to ensure that each individual turn is at least partially filled with the heat transfer medium, since the working medium is distributed evenly over the individual turns after commissioning. All areas below form heating zone 3, while all areas above form cooling zone 4. It has thus been possible to produce a large number of adjacent heat siphons or heat pipes from a metal pipe 1 prepared for a heat siphon or heat pipe, which means considerable cost savings or increases the efficiency of a heat pipe or heat siphon many times over. It has been shown completely surprisingly that drying of a pipe turn cannot occur, since in this case the condensation zone of the adjacent turns increases up to the area of the turns threatened by drying, so that the working medium re-enters this turn flows.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, nur das hier das Metallrohr mäanderförmig gewickelt ist. The embodiment according to FIG. 2 essentially corresponds to the first embodiment according to FIG. 1, only that here the metal tube is wound in a meandering manner.

Die Erfindung beschränkt sich selbstredend nicht auf die dargestellten Wärmesiphons, sondern ist genauso anwendbar für Wärmetransportsysteme, die nach dem Prinzip des Wärmerohres arbeiten, d.h. bei dem der Rückstransport des Kondensats durch kapillare Kräfte verursacht wird. Für diesen Anwendungsfall ist es allerdings erforderlich, in das Rohrinnere ein Kapillarsystem einzubringen, beispielsweise in Form eines Kunststoffnetzes. The invention is of course not limited to the heat siphons shown, but can also be used for heat transport systems that work on the principle of the heat pipe, i.e. in which the return transport of the condensate is caused by capillary forces. For this application, however, it is necessary to insert a capillary system into the interior of the tube, for example in the form of a plastic network.

Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist parallel zur Achse der Wendel von aussen ein balkenförmiges Element 5 aus gut wärmeleitendem Material, z.B. Kupfer, mit einem die Wärme gut leitenden Lot angelötet, welches Element 5 Ausneh-mungen 6 für jede Windung aufweist. Damit das Kondensat aufgrund der Schwerkraft zur Heizzone 3 zurücktransportiert werden kann, sind die einzelnen Windungen des Wellrohres 1 unter einem Winkel a zur Längsachse des balkenförmigen Elements 5 ausgerichtet, welcher kleiner als 90° ist. An dem balkenförmigen Element 5 können in gut wärmeleitendem Kontakt eine oder mehrere Wärmeenergie zu- bzw. abführende Aggregate 7, beispielsweise elektronische Bauelemente, wie Thyristoren, angebracht werden. Im umgekehrten Betriebsfall weisen 5 die Windungen eine Neigung von etwas mehr als 90° zur Vertikalen auf. In the third embodiment according to Fig. 3, parallel to the axis of the coil from the outside is a bar-shaped element 5 made of a good heat-conducting material, e.g. Copper, soldered with a solder that is a good conductor of heat, which element has 5 recesses 6 for each turn. So that the condensate can be transported back to the heating zone 3 due to the force of gravity, the individual turns of the corrugated tube 1 are aligned at an angle a to the longitudinal axis of the bar-shaped element 5, which is less than 90 °. One or more units 7 supplying or discharging thermal energy, for example electronic components such as thyristors, can be attached to the bar-shaped element 5 in good heat-conducting contact. In the reverse case, the 5 turns have an inclination of slightly more than 90 ° to the vertical.

Die von den Wärmeerzeugern frei werdende Wärmeenergie wird auf das balkenförmige Element 5 übertragen, welches wiederum aufgrund seiner guten thermischen Leitfähigkeit diese ic auf die einzelnen Windungen des Wellrohres 1 weitergibt. Der im Bereich der Heizzone 3 befindliche flüssige Wärmeträger wird durch die zugeführte Wärmeenergie verdampft und strömt dabei aufgrund des Druckunterschiedes in den Bereich der Kühlzone 4, wo es kondensiert und aufgrund der geneigten Anis Ordnung der einzelnen Windungen zur Heizzone 3 zurückströmt. Die Kühlung im Bereich der Kühlzone 4 kann noch durch eine Zwangskonvektion, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Ventilator, erhöht werden. The heat energy released by the heat generators is transferred to the bar-shaped element 5, which in turn passes this ic to the individual turns of the corrugated tube 1 due to its good thermal conductivity. The liquid heat transfer medium located in the area of the heating zone 3 is evaporated by the supplied thermal energy and flows due to the pressure difference into the area of the cooling zone 4, where it condenses and flows back to the heating zone 3 due to the inclined anise order of the individual turns. The cooling in the area of the cooling zone 4 can also be increased by forced convection, for example by a fan (not shown).

Es könnte weiterhin denkbar sein, die balkenförmigen Ele-20 mente 5 zweier gleichartiger erfindungsgemässer Vorrichtungen wärmeleitend miteinander zu verbinden und diese Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei strömenden Medien zu verwenden. Es versteht sich dabei von selbst, dass bei der zweiten Vorrichtung dann die Kühlzonen bzw. Heizzonen umge-25 kehrt sein müssen. It could also be conceivable to connect the bar-shaped elements 5 of two similar devices according to the invention in a heat-conducting manner and to use this device for heat exchange between two flowing media. It goes without saying that the cooling zones or heating zones must then be reversed in the second device.

Man könnte auch mehrere Vorrichtungen mittels ihres balkenförmigen Elementes 5 an einer Rohrwandung anbringen, in welcher ein zu kühlendes Medium fliesst. One could also attach several devices by means of their bar-shaped element 5 to a pipe wall in which a medium to be cooled flows.

30 Beim vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Metallrohr 1 zu einem mäanderartigen Gebilde geformt. Die Windungen 8 des so vorbereiteten Rohres 1, werden in einen zum Beispiel rohrförmigen Behälter 9 durch Öffnungen 10 eingeführt und mit der Wandung des Behälters dicht verlötet. Durch die 35 Anschlussöffnungen 11 und 12 des Behälters 9 kann nun zum Beispiel ein zu kühlendes Medium, etwa Wasser in einem Motorkühler, z.B. beim Automobilmotor, zu- bzw. abgeführt werden. Im Bereich der Kühlzone 4 wird die durch den Verdamp-fungs- bzw. Kondensationsprozess aus dem zu kühlenden Me-40 dium gewonnene Wärmeenergie durch den Fahrtwind bzw. mittels eines nicht dargestellten zusätzlichen Ventilators entfernt, indem die Wärme an die vorbeiströmende Luft abgegeben wird. In the fourth exemplary embodiment according to FIG. 4, the metal tube 1 is shaped into a meandering structure. The windings 8 of the tube 1 prepared in this way are introduced into a, for example, tubular container 9 through openings 10 and soldered tightly to the wall of the container. Through the 35 connection openings 11 and 12 of the container 9, for example, a medium to be cooled, such as water in an engine cooler, e.g. in the automotive engine, are supplied or discharged. In the area of the cooling zone 4, the thermal energy obtained by the evaporation or condensation process from the medium to be cooled is removed by the airstream or by means of an additional fan (not shown) by releasing the heat to the air flowing past.

Ähnlich verfährt man bei stationären Anlagen, in denen entweder über Ventilatoren oder über einen Kühlturm für den 45 nötigen Luftumsatz gesorgt wird. Je nach Auslegung können die Windungen auch annähernd waagrecht und dann auch beidseitig am Rohr 9 angeordnet sein. The procedure is similar for stationary systems in which the necessary air turnover is provided either by fans or by a cooling tower. Depending on the design, the windings can also be approximately horizontal and then also arranged on the tube 9 on both sides.

Bei einer Betriebsweise, in welcher das umlaufende Medium angewärmt werden soll, wie zum Beispiel in einer Wärmegewin-50 nungsanlage bei Entnahme von Wärme aus dem Erdboden, dem Grundwasser oder der Luft wird sich der Behälter 9 oberhalb des Metallrohres 1 befinden. In an operating mode in which the circulating medium is to be warmed up, for example in a heat recovery system when heat is removed from the ground, groundwater or air, the container 9 will be located above the metal pipe 1.

Durch entsprechende Auslegung der Rohroberfläche innerhalb und ausserhalb des Behälters kann dem unterschiedlichen 55 Wärmetausch auf der Gas- bzw. Flüssigkeitsseite je nach vorgesehenen Betriebszustand optimal Rechnung getragen werden. By appropriately designing the pipe surface inside and outside the tank, the different heat exchanges on the gas or liquid side can be optimally taken into account, depending on the intended operating state.

Auch in Kühlanlagen mit einem Kühlmittelumlauf ist die erfindungsgemässe Vorrichtung verwendbar. The device according to the invention can also be used in cooling systems with a coolant circulation.

C C.

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

632 084 PATENT CLAIMS

1. Device for transporting thermal energy between two locations of different temperatures, e.g. for cooling systems, heat recovery systems or engine coolers, with a tightly sealed tube (1) which is filled with a heat transfer medium as the working medium, which evaporates at the higher temperature, the heating zone (3), and at the lower temperature, the cooling zone (4), condensed and in which the condensate is constantly transported back to the heating zone (3), characterized in that the tube (1) is shaped over its length in such a way that it passes through heating zones (3) and cooling zones (4) several times.

2. Device according to claim 1, characterized in that the tube (1), e.g. made of copper, aluminum or stainless steel, helical or meandering and the turns are of the same or different lengths.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that at least two meanders are arranged one above the other.

4. Device according to claim 1, characterized in that the tube (1) is designed as a seamless drawn or as a longitudinally welded and corrugated metal tube.

5. The device according to claim 1, characterized in that the pipe sections forming the heating zone (3) are at a lower level than the pipe sections forming the cooling zone (4).

6. The device according to claim 1, characterized in that capillaries are arranged in the interior of a heat pipe, which transport the condensate to the heating zone (3).

7. The device according to claim 1, characterized in that between the heating zones (3) and the cooling zones (4) are transport zones, that the pipeline areas forming the transport zones are essentially stretched and close to each other, while the heating zones (3) and cooling zones (4) forming pipe areas are fanned out.

8. Device according to claim 1, characterized in that in the area of the heating zone (3) or the cooling zone (4) in a thermally conductive contact with the individual turns of the tube (1), bar-shaped element (5) made of thermally conductive material, e.g. Copper that connects individual turns to each other (Fig. 3).

9. Device according to claims 1 and 8, characterized in that the bar-shaped element (5) for each helical winch has a recess (6), the surface of which is in contact with the corrugated tube (1) in contact with the contour of the corrugated tube (1) is.

10. The device according to claims 1, 8 and 9, characterized in that the windings are connected to the bar-shaped element (5) by a heat-conducting solder layer and the windings are arranged at a distance from one another.

11. The device according to claims 1, 8, 9 and 10, characterized in that when the bal-ken-shaped element (5) is arranged vertically, each turn is inclined to the horizontal and almost parallel to the turns adjacent to it.

12. The device according to claim 1, characterized in that the turns of the tube (1) in the heating and / or cooling zone (3, 4) are surrounded by a container (9) in a liquid-tight manner, which is of a medium to be cooled or heated is flowed through (Fig. 4).