DE102006025733A1

DE102006025733A1 - Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei metallischen Wärmerohren

Info

Publication number: DE102006025733A1
Application number: DE200610025733
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr.-Ing. Schlitt; Harald Segelke
Original assignee: ORBITALE HOCHTECHNOLOGIE BREME; ORBITALE HOCHTECHNOLOGIE BREMEN-SYSTEM AG
Current assignee: ORBITALE HOCHTECHNOLOGIE BREME; ORBITALE HOCHTECHNOLOGIE BREMEN-SYSTEM AG
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: DE102006025733B4

Abstract

Ein Wärmerohr besteht aus einem metallischen Profil mit Abschlussdeckeln und Füllrohr, das in Längsrichtung mit hochfesten Fasern umwickelt ist, um die thermische Ausdehnung des metallischen Profils bei höheren Betriebstemperaturen zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmerohr entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Wärmerohr in Längsrichtung mit mehreren Lagen einer hochfesten Kohlenstofffaser umwickelt ist. Der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient der Kohlefaserwindungen bewirkt, dass die thermische Ausdehnung des metallischen Profils unterdrückt und der Ausdehnungskoeffizient des Verbundes stark reduziert wird.
Stand der Technik
Wärmerohre (auch bekannt als Heat Pipes) werden bereits seit mehreren Jahrzehnten sowohl in terrestrischen Anwendungen als auch in der Raumfahrt eingesetzt. Wärmerohre sind geschlossene meist zylindrische Gefäße, in denen eine der Arbeitstemperatur entsprechender Wärmeträgerflüssigkeit eingebracht wird, die eine Kapillarstruktur an den Innenseiten des Gefäßes sättigt. Führt man dem Wärmerohr Wärme zu, verdampft die Wärmeträgerflüssigkeit aus der Kapillarstruktur heraus. Durch Wärmeabfuhr an einer anderen Stelle des Wärmerohrs kondensiert der entstandene Dampf und das Kondensat wird schließlich durch die Kapillarkraft der erwähnten Kapillarstruktur zur Verdampfungszone zurück gefördert. Durch den beschriebenen Prozess wird Wärme von der Verdampfungszone zur Kondensationszone übertragen, die der Verdampfungswärme des eingesetzten Wärmeträgers entspricht. Da Verdampfung und Kondensation des Wärmeträgers bei etwa gleicher Temperatur stattfinden, lässt sich Wärme mit sehr geringen Temperaturdifferenzen übertragen. Äußere Energiezufuhr zur Aufrechterhaltung des Kreislaufs ist nicht erforderlich.
Wesentliche Auslegungskriterien für ein Wärmerohr sind der Einsatz geeigneter Materialien für den Wärmerohr-Container und einer Wärmeträgerflüssigkeit, die mit dem Containermaterial chemisch kompatibel ist. In vielen Anwendungen werden heute Aluminiumrohre mit engen Axialrillen eingesetzt, die vorteilhaft durch einen Strangpressprozess hergestellt werden. Dabei werden die Axialrillen trapezförmig ausgebildet, um eine enge Rillenöffnung zur Erlangung hoher Kapillarität und einen möglichst großen Flüssigkeitsquerschnitt zur Reduktion des Druckabfalls zu erreichen. Diese Wärmerohre werden meist mit Ammoniak betrieben, das günstige wärmetechnische Eigenschaften im Bereich von etwa –40°C und +80°C aufweist und mit Aluminium und seinen Legierungen kompatibel ist.
Bei Anwendungen in der Raumfahrt werden Wärmerohre häufig in Sandwich-Strukturen eingebettet, wobei das Material der Deckschichten dieser Strukturen identisch mit dem der Wärmerohre ist, um übereinstimmende Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zu realisieren. Im Bemühen weitere Gewichtsreduktionen im Leichtbau zu erreichen, denkt man daran, die Deckschichten aus kohlefaserverstärkten Kunststoff herzustellen, wobei das Problem der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der weiterhin metallischen Wärmerohren gelöst werden muss.
Materialien, die für ihre Anwendung einen maßgeschneiderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, werden insbesondere für Kühlmaßnahmen in der Elektronik entwickelt. Bevorzugte Lösungen sind hier „Composite" Materialien wie Kupfer/Wolfram, Kupfer/Molybdän, Beryllium/Aluminium oder auch Metalle (Al, Cu) mit eingelagerten Kohlefasern. Der Einsatz dieser Materialien für Wärmerohre scheitert jedoch meist an der Schwierigkeit, Profile mit innen liegender Kapillarstruktur herzustellen. Außerdem muss die Verträglichkeit dieser Materialien mit den verwendeten Wärmeträgerflüssigkeiten gegeben sein.
Bekanntermaßen werden Aluminiumlegierungen als Wärmerohr Containermaterial genutzt, die jedoch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Zur Reduktion dieses Koeffizienten wird in US 6,184,578 B1 vorgeschlagen, ein dünnwandiges Rohr zu verwenden, das in Längs- und Umfangsrichtung mit mehreren Lagen Kohlefaser umgeben ist. Bei Temperaturschwankungen verhindern die Faserlagen, dass sich das Rohr ausdehnt, wobei die auftretenden Kräfte wegen der Dünnwandigkeit des Rohrs gering bleiben.
In US 6,065,529 wird vorgeschlagen, ein Rohr mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in ein Profil mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mit rechteckigem Querschnitt einzubringen, jedoch zwischen beiden Komponenten einen Spalt zu belassen, der mit hoch thermisch leitender Flüssigkeit gefüllt ist. Die durch die verschiedenen Koeffizienten hervorgerufene Ausdehnung der beiden Komponenten wird durch den Flüssigkeitsspalt ausgeglichen.
JP 200129857 A schlägt vor, metallische Wärmerohre direkt in ein Sandwich mit Deckschichten aus kohlefaserverstärkten Kunststoff einzusetzen, wobei die Wärmerohre mit einem flexiblen Kleber eingebracht werden, der die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen ausgleicht. In JP 2001153576 A wird zusätzlich vorgeschlagen, das Wärmerohr mit einer Stufe auszuführen, so dass an Stellen mit konzentrierten Spannungen die Klebschicht verdickt werden kann.
Aufgabenstellung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von metallischen Wärmerohrprofilen durch die erfindungsgemäße Anordnung zusätzlicher Kohlefasern so zu reduzieren, dass er dem Koeffizienten von kohlefaserverstärkten Deckschichten in Sandwich Strukturen angepasst und eine spannungsfreie Integration der Profile im Sandwich ermöglicht wird.
Zitierte Schriften

US 6,184,578 B1 Graphite Composite Heat Pipe
US 6,065,529 Embedded Heat Pipe Structure
JP 2000129857 A Carbon Fiber Skin Heat Pipe Panel
JP 2001153576 A Carbon Fiber Skin Heat Pipe Panel and Heat Pipe

Ausführungsbeispiel
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1: Querschnitt von Wärmerohrprofilen nach derzeitigem Stand der Technik
2: Wärmerohrprofil mit Kohlefaser Umwicklung
1 zeigt ein Wärmerohr (1) und Querschnitte von Wärmerohrprofilen (1a bis 1d), die dem heutigen Stand der Technik entsprechen. Diese Profile werden zum Beispiel aus einer Aluminiumle gierung durch ein Strangpressverfahren hergestellt, wobei Flansche (2) im gleichen Arbeitsgang integriert werden können. Flansche können für verschiedene Anwendungen teilweise oder ganz entfernt werden (1b) und (1d). Ein Wärmerohr (1) im fertigen Zustand besteht aus einem Profil mit unterschiedlicher äußerer Kontur (z.B. 1a bis 1d) und innenliegender Kapillarstruktur (z.B. Axialrillen), den beidseitigen Abschlussdeckeln (3) und dem Einfüllrohr (4).
Wärmerohrprofile bestehen meist aus metallischen Werkstoffen (Aluminium, Kupfer, Nickel, Stahl, usw.), die bei steigenden Betriebstemperaturen beträchtliche Längenausdehnungen erfahren. Diese Längenausdehnung ist unerwünscht, wenn Wärmerohrprofile mit Strukturen verbunden werden, die geringere thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. In der erfindungsgemäßen Anordnung (2) werden Längenänderungen des metallischen Wäremerohrprofils dadurch reduziert, dass das Profil in der Längsachse mit hochfesten Fasern (6) umwickelt wird (Kohlefaser, Glasfaser). Durch die niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizenten dieser Fasern wird bei Anstieg der Betriebstemperatur das metallische Profil in Längsrichtung komprimiert und die Längenausdehnung des Wärmerohrs entsprechend reduziert. Fasertyp und Dicke des erforderlichen Faserpackets sind das Ergebnis von strukturellen Analysen und richten sich nach dem verwendeten Metall und der Länge des Profils. Um die Wicklung an den Enden des Wärmerohrs mit einem zulässigen Radius durchzuführen, werden abgerundete Umleitstücke (5) auf die Enden des Wärmerohrs aufgebracht. An den Profilen angebrachte Flansche (1a, 1c) können so weit abgetragen werden, dass Profile mit glatten Seitenflächen entstehen (1b, 1d in 2).
Um im gesamten Betriebstemperaturbereich das Profil unter Kompression und den Faserverbund auf Zug zu belasten, wird die Faserwicklung bei der niedrigsten Betriebstemperatur aufgebracht. Die Gefahr des Ausknickens des bei höheren Temperaturen hochbelastenden Verbundes wird dadurch vermieden, dass das Faserpaket mit einem geeigneten Kunststoff (z.B. Epoxydharz) getränkt wird, der gleichzeitig für ein Verkleben des Faserpakets an das Profil sorgt.

Claims

Wärmerohr bestehend aus metallischem Profil mit unterschiedlicher äußerer Kontur und verschiedenen inneren Kapillarstrukturen, beidseitigen Abschlussdeckeln und Einfüllrohr dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr in Längsrichtung mit Fasern hoher Festigkeit umwickelt wird, um die thermische Ausdehnung des metallischen Profils zu reduzieren.
Wärmerohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung entweder aus Kohlefasern oder Glasfasern besteht.
Wärmerohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein geeigneter Wickelradius für die Fasern durch abgerundete Umleitstücke auf den Enden des Wärmerohrs erreicht wird.
Wärmerohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vorhandene Flansche des Profils so abgetragen werden, dass nach der Wicklung eine glatte Seitenfläche entsteht.
Wärmerohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwicklung bei der niedrigsten Betriebstemperatur des Wärmerohrs aufgebracht wird und dadurch im gesamten Temperaturbereich das Faserpaket auf Zug und das metallische Profil auf Kompression belastet wird.
Wärmerohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Faserpaket vorzugsweise mit einem Epoxydharz getränkt und an das Profil angeklebt wird.