DE102013225077A1

DE102013225077A1 - Wärmerohr mit Verdrängungskörpern

Info

Publication number: DE102013225077A1
Application number: DE102013225077.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Decker
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US20160313068A1; CN105992928B; WO2015082186A1; CN105992928A; WO2015082186A9

Abstract

Es wird ein Wärmerohr (1) angegeben. Es hat eine geschlossene Rohrleitung (10), die teilweise mit einer Flüssigkeit (20) befüllt ist, einen Verdampfer (30) um einen Teil der Flüssigkeit (20) in der Rohrleitung (10) in Dampf umzuwandeln und einen Kondensator (40) um Dampf in der Rohrleitung (10) zu Kondensieren. In der Flüssigkeit (20) ist eine Mehrzahl von Verdrängungskörpern (50) beweglich angeordnet, wobei die Verdrängungskörper (50) eine höhere Kompressibilität haben als die Rohrleitung (10) und eine Dichte der Verdrängungskörper (50) größer ist als eine Dichte der Flüssigkeit (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerohr mit einer geschlossenen Rohrleitung, die teilweise mit einer Flüssigkeit befüllt ist, mit einem Verdampfer um einen Teil der Flüssigkeit in der Rohrleitung in Dampf umzuwandeln und mit einem Kondensator um Dampf in der Rohrleitung zu kondensieren.
Bei herkömmlichen Wärmerohren besteht die Gefahr, dass die in der Rohrleitung enthaltene Flüssigkeit kristallisieren kann, beispielsweise wenn das Wärmerohr nicht in Betrieb ist. Dabei kann die Flüssigkeit in der Rohrleitung expandieren und dabei die Rohrleitung beschädigen. Der Einsatzbereich – einschließlich der Lagerung – solcher Wärmerohre ist daher auf einen Bereich oberhalb der Kristallisationstemperatur der in dem Wärmerohr enthaltenen Flüssigkeit beschränkt.
Beispielsweise aus der DE 197 00 042 A1 ist ein Wärmerohr bekannt, das einen flexiblen, unter Druck stehenden Einsatz zum Einsetzen in die Verdampferseite des geneigten Wärmerohrs aufweist. Der Einsatz ist aus einem dünnwandigen, biegsamen Material aufgebaut, das in der Lage ist komprimiert zu werden und dabei die von dem Arbeitsfluid des Wärmerohrs ausgeübten Expansionsdrücke beim Gefrieren des Arbeitsfluids zu absorbieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Wärmerohr anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmerohr mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Wärmerohrs sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Wärmerohr – genauer ein Wärmerohrwärmetauscher – angegeben. Das Wärmerohr weist eine geschlossene Rohrleitung auf. Insbesondere ist die Rohrleitung dampfdicht verschlossen. Die Rohrleitung ist teilweise mit einer Flüssigkeit – dem Arbeitsmedium, manchmal auch Arbeitsfluid genannt – befüllt. Das Wärmerohr hat einen Verdampfer, der insbesondere mit einer Wärmequelle koppelbar ist, um einen Teil der Flüssigkeit in der Rohrleitung in Dampf umzuwandeln. Zudem hat das Wärmerohr einen Kondensator, der insbesondere mit einer Wärmesenke koppelbar ist, um Dampf in der Rohrleitung zu kondensieren. Auf diese Weise ist das Wärmerohr insbesondere zum stoffgebundenen Wärmetransport mittels des Arbeitsmediums von der Wärmequelle zu der Wärmesenke ausgebildet.
In der Rohrleitung ist eine Mehrzahl von Verdrängungskörpern beweglich angeordnet. Insbesondere sind die Verdrängungskörper in der Flüssigkeit angeordnet. Die Verdrängungskörper haben eine höhere Kompressibilität als die Rohrleitung. Zudem ist eine Dichte der Verdrängungskörper größer als eine Dichte der Flüssigkeit. Insbesondere ist die Dichte der Verdrängungskörper über den gesamten für das Wärmerohr vorgesehenen Arbeits- und Lagertemperaturbereich größer als die Dichte der Flüssigkeit.
Aufgrund der gegenüber der Rohrleitung erhöhten Kompressibilität sind die Verdrängungskörper mit Vorteil verformbar, wenn beispielsweise bei einem Phasenübergang der Flüssigkeit von der flüssigen in die feste Phase Volumenänderungen auftreten. Die Verformung der Verdrängungskörper kann auf diese Weise auf die Wand der Rohrleitung wirkende, von der Volumenänderung verursachte Kräfte reduzieren, so dass die Gefahr einer Beschädigung der Rohrleitung verringert ist.
Aufgrund der gegenüber der Flüssigkeit höheren Dichte der Verdrängungskörper ist die Gefahr einer Anhäufung der Verdrängungskörper an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Dampf innerhalb der Rohrleitung besonders gering. Auf diese Weise ist die Gefahr verringert, dass sich während eines Erstarrungsvorgangs der Flüssigkeit Verdrängungskörper außerhalb des Flüssigkeitsvolumens befinden, wo ihre Wirksamkeit zur Reduktion der auf die Rohrleitung wirkenden Kräfte beeinträchtigt oder aufgehoben wäre. Zudem ist auf diese Weise die Gefahr, dass die Verdrängungskörper den Verdampfungsvorgang behindern – beispielsweise durch eine Reduktion der Dampfgeschwindigkeit durch Wechselwirkung des Dampfs mit Verdrängungskörpern besonders gering. Somit ist die Gefahr einer Beeinträchtigung der Wärmetransportleistung durch die Verdrängungskörper besonders gering. Das Vorhandensein mehrerer Verdrängungskörper ermöglicht eine besonders störungsarme Umströmung der Verdrängungskörper durch die Flüssigkeit. Insbesondere ist das Flüssigkeitsvolumen in der Rohrleitung einfach zusammenhängend, d. h. es wird durch die Verdrängungskörper nicht in einzelne, voneinander getrennte Teilbereiche unterteilt. Zudem sind die Verdrängungskörper einfach in der Rohrleitung platzierbar, auch wenn diese z.B. gebogen ist.
Bei einer Ausgestaltung ist die Flüssigkeit Wasser oder eine Flüssigkeit auf Wasserbasis. Das Wärmerohr gemäß der vorliegenden Offenbarung erlaubt mit Vorteil den Einsatz von Wasser als Arbeitsmedium, auch wenn das Wärmerohr Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser bzw. des Gefrierpunkts der Flüssigkeit auf Wasserbasis ausgesetzt ist. Die Wärmetransportdichte ist aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität und der Verdampfungsenthalpie von Wasser insbesondere im Temperaturbereich unterhalb von 18° C besonders groß, so dass das Wärmerohr besonders effizient arbeiten kann. Die Gefahr eines Berstens oder einer Beschädigung der Rohrleitung durch die Volumenausdehnung des Wassers beim Gefrieren ist dabei besonders gering.
Mit Vorteil ist das Wärmerohr gemäß der vorliegenden Offenbarung ohne anderweitige Gefrierschutzmaßnahmen mit Wasser als Arbeitsmedium im Außenbereich einsetzbar.
Bei einer Ausgestaltung enthalten die Verdrängungskörper jeweils einen ersten Volumenbereich, in dem ein Gas eingeschlossen ist. Der erste Volumenbereich ist mit anderen Worten ein gasgefüllter Volumenbereich. Mit dem gasgefüllten ersten Volumenbereich ist insbesondere eine besonders hohe Kompressibilität erzielbar. Das Volumen der Verdrängungskörper ist mit Vorteil unter Erhöhung des Drucks des im ersten Volumenbereich eingeschlossenen Gases einfach und vergleichsweise stark reduzierbar.
Bei einer Weiterbildung erhält der erste Volumenbereich einen Schaumstoffkörper. Der Schaumstoffkörper ist ein aus einem Schaumstoff-Material gebildeter Körper. Das Schaumstoff-Material enthält Zellen, in denen das Gas eingeschlossen ist. Die Zellwände des Schaumstoff-Materials sind dabei zweckmäßigerweise elastisch, so dass Kräfte von der Flüssigkeit in der Rohrleitung an das Gas im ersten Volumenbereich übertragbar sind. Der gasgefüllte erste Volumenbereich ist mittels des Schaumstoffkörpers besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Schaumstoff-Material um einen geschlossenzelligen Schaumstoff, d.h. um ein Schaumstoff-Material bei dem die Wände zwischen den einzelnen Zellen zum Einschluss des Gases komplett geschlossen sind. Es kann sich auch um einen sogenannten Integralschaum handeln. Ein Integralschaum hat eine geschlossene, insbesondere im Vergleich zu den Zellwänden dicke Außenhaut und einen zelligen Kern. Die Dichte des Integralschaums nimmt vorzugsweise von der Außenhaut nach innen hin ab.
Das Schaumstoff-Material des Schaumstoffkörpers kann beispielsweise Polystyrol, einen Polyurethan, ein geschäumtes Silikon oder ein naturschäumendes Stärkeprodukt aufweisen. Die Zellwände des Schaumstoffmaterials können aus einem Material gebildet sein, welches ein Matrixmaterial und Partikel enthält, welche in das Matrixmaterial eingebettet sind. Vorzugsweise hat das Matrixmaterial eine kleinere Dichte als die Partikel. Auf diese Weise ist ein Schaumstoffkörper mit einer besonders großen Dichte erzielbar.
Alternativ oder zusätzlich weisen die Verdrängungskörper bei einer Ausführungsform zusätzlich zu dem gasgefüllten ersten Volumenbereich jeweils mindestens einen zweiten Volumenbereich auf, der eine größere Dichte hat als der erste Volumenbereich. Der zweite Volumenbereich ist insbesondere von einem Festkörper gebildet. Bei einer Weiterbildung umschließt der erste, gasgefüllte Volumenbereich den mindestens einen zweiten Volumenbereich stellenweise oder vollständig. Beispielsweise handelt es sich bei dem zweiten Volumenbereich bzw. bei den zweiten Volumenbereichen um einen oder mehrere Vollkörper, die insbesondere von dem Schaumstoffkörper stellenweise oder vollständig umschlossen sind. Beispielsweise stellen der bzw. die zweite(n) Bereich(e) einen Kern bzw. mehrere Kerne des jeweiligen Verdrängungskörpers dar. Jeder zweite Volumenbereich kann eine regelmäßige oder eine unregelmäßige Außenkontur haben. Zum Beispiel ist der zweite Volumenbereich als Kugel ausgeführt. Mittels des zweiten Volumenbereichs ist eine Kompensation des Auftriebes, der durch das im ersten Volumenbereich eingeschlossene Gasvolumen hervorgerufen wird, besonders einfach erzielbar.
Der zweite Volumenbereich und/oder die in dem Matrixmaterial des Schaumstoff-Materials eingebetteten Partikel enthalten bei einer Ausführungsform mindestens eines der folgenden Materialien oder bestehen aus mindestens einem der folgenden Materialien: ein mineralisches Material wie beispielsweise Quarz, ein nichtoxidierendes Metall wie beispielsweise Edelstahl oder Aluminium, verzinktes Eisen, ein Nichteisenmetall, ein Buntmetall, eine Kupferlegierung wie z. B. Bronze oder Messing, oder Blei. Aufgrund der vergleichsweise hohen Dichte dieser Materialien ist mittels des zweiten Volumenbereichs bzw. mittels der Partikel eine besonders große Gesamtdichte der Verdrängungskörper erzielbar.
Der zweite Volumenbereich ist bei einer Ausgestaltung mit dem Schaumstoff-Material umschäumt, anders ausgedrückt wird der Kern bei der Herstellung des Schaumstoffkörpers mit dem Schaumstoff-Material umgeben. Alternativ kann der zweite Volumenbereich nachträglich in den Schaumstoffkörper eingesetzt werden. Der Schaumstoffkörper kann hierzu eine Ausnehmung zur Aufnahme des zweiten Volumenbereichs aufweisen. Die Ausnehmung kann maßgerecht oder mit Mindermaß ausgeführt sein. Beispielsweise bei einer Ausnehmung mit Mindermaß kann eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Schaumstoffkörper und dem zweiten Volumenbereich gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Volumenbereich, insbesondere in der Ausnehmung, mit dem Schaumstoffkörper verklebt sein. Bei einer Weiterbildung ist hierzu ein aufschäumbarer Klebstoff wie Polystyrol, Polyurethan oder Silikon verwendet, wobei der aufschäumbare Klebstoff in den fertiggestellten Verdrängungskörpern insbesondere im aufgeschäumten Zustand vorliegt. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Volumenbereich an seiner Außenfläche Halteanker aufweisen, die sich beim Einfügen in dem Schaumstoffkörper verhaken. Derartige Verdrängungskörper sind einfach und kostengünstig herstellbar.
Bei einer Ausführungsform ist der mindestens eine zweite Volumenbereich mit einer Umhüllung versehen, die beispielsweise als Folie oder als Lack ausgebildet ist. Die Folie kann beispielsweise Polyethylen-, Polypropylen- oder Polystyrol-Material oder ein anderes folienextrudierbares Material aufweisen. Im fertiggestellten Verdrängungskörper ist die Umhüllung vorzugsweise zwischen dem zweiten Volumenbereich und dem Schaumstoffkörper angeordnet.
Bei einer Ausführungsform weisen die Verdrängungskörper jeweils eine geschlossene Außenhülle auf, die insbesondere ein elastisches Kunststoffmaterial enthält oder daraus besteht. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich beispielsweise um ein Duroplastmaterial oder ein Thermoplastmaterial handeln. Beispielsweise handelt es sich bei dem Kunststoffmaterial um Polyethylen, Polypropylen oder um Polytetrafluorethylen (PTFE).
Bei einer Weiterbildung sind in das elastische Kunststoffmaterial Partikel eingebettet, die eine höhere Dichte haben als das elastische Kunststoffmaterial. Beispielsweise weisen die Partikel mindestens eines der vorstehend im Zusammenhang mit dem zweiten Volumenbereich genannten Materialien auf. Mit der Hülle ist die Gefahr eines Eindringens der Flüssigkeit in den Verdrängungskörper vorteilhaft verringert. Die geschlossene Außenhülle kann auch zum Einschließen des Gases in den ersten Volumenbereich vorgesehen sein.
Insbesondere wenn die Verdrängungskörper eine geschlossene Außenhülle haben kann eine Ausführungsform zweckmäßig sein, bei der das Schaumstoffmaterial einen offenzelligen oder gemischtzelligen – d.h. offene und geschlossene Zellen enthaltenden – Schaumstoff aufweist. Solche Schaumstoffmaterialien können besonders kostengünstig hergestellt werden. Der Schaumstoffkörper ist bei einer Weiterbildung – ggf. zusätzlich zur elastischen Außenhülle – mit einer Ummantelung aus elastischem Material versehen. So kann eine besonders gute Versiegelung des eingeschlossenen Gases und/oder ein Schutz der Zellen des Schaumstoffmaterials erzielt sein.
Bei einer Ausführungsform beträgt ein Gesamtvolumen der Verdrängungskörper mindestens 5 % eines Gesamtvolumens der Flüssigkeit in der geschlossenen Rohrleitung, bei einer Weiterbildung beträgt das Gesamtvolumen der Verdrängungskörper mindestens 10 % des Gesamtvolumens der Flüssigkeit in der geschlossenen Rohrleitung. Ein Volumenanteil von 10 % oder mehr ist insbesondere für Wärmerohre geeignet, deren Rohrleitung an verschiedenen Stellen unterschiedliche Querschnittsflächen oder Querschnittsformen hat und/oder bei denen Oberflächenrauigkeiten einer Innenfläche der Rohrleitung Abmessungen von 5 Mikrometer oder mehr haben. Das Gesamtvolumen der Verdrängungskörper ist vorzugsweise 50 % oder weniger, insbesondere 25 % oder weniger, des Gesamtvolumens der Flüssigkeit. Bei derartigen Volumenanteilen der Verdrängungskörper ist die Gefahr eines der ersten oder einer Beschädigung der Rohrleitung beim Erstarren der Flüssigkeit besonders gering.
Bei einer Ausführungsform ist die geschlossene Rohrleitung in sich geschlossen. Das bedeutet insbesondere, dass die Rohrleitung topologisch äquivalent zu einem eingebetteten Torus im dreidimensionalen euklidischen Raum ist. Insbesondere hat sie eine ringförmige Grundform. Bei einer anderen Ausgestaltung hat das Wärmerohr mehrere geschlossene Rohrleitungen, die bei einer Weiterbildung mit einer gemeinsamen Verdampfereinheit und/oder mit einer gemeinsamen Kondensatoreinheit gekoppelt sind. Beispielsweise verlaufen die Rohrleitungen parallel zueinander. Auf diese Weise ist ein besonders guter Wärme- und Stofftransport zwischen Verdampfereinheit und Kondensatoreinheit erzielbar.
Bei einer Ausführungsform ist eine maximale Abmessung jedes der Verdrängungskörper kleiner oder gleich dem 0,75-fachen einer minimalen Innenquerschnitts-Abmessung der Rohrleitung. Alternativ oder zusätzlich ist die maximale Abmessung jedes der Verdrängungskörper größer oder gleich dem 0,25-fachen der minimalen Innenquerschnitts-Abmessung der Rohrleitung. Beispielsweise beträgt die maximale Abmessung jedes Verdrängungskörpers etwa 1/2√2 der minimalen Innenquerschnitts-Abmessung der Rohrleitung. Auf diese Weise ist eine besonders gleichmäßige Verteilung der Verdrängungskörper in der Flüssigkeit erzielbar.
Bei einer Ausführungsform weist das Wärmerohr ein flüssigkeitsdurchlässiges Rückhalteelement auf, mittels welchem die Verdrängungskörper in einem Teilabschnitt der Rohrleitung eingeschlossen sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Rückhalteelement um ein Maschengitter, das in die Rohrleitung eingesetzt ist oder um eine Querschnittsverengung der Rohrleitung. Bei einer Ausgestaltung weist das Wärmerohr einen Kugelhahn auf, der das Rückhalteelement enthält um die Verdrängungskörper in einen flüssigkeitsführenden Innenteil des Kugelhahns einzuschließen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Wärmerohrs ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1A ein Wärmerohr in einer schematischen Längsschnittdarstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
1B ein Wärmerohr in einer schematischen Längsschnittdarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels,
1C ein Wärmerohr in einer schematischen Längsschnittdarstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
1D eine schematische Querschnittsdarstellung des Wärmerohrs gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
1E eine schematische Querschnittsdarstellung eines Wärmerohrs gemäß einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels,
2A einen Verdrängungskörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2B einen Verdrängungskörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
2C einen Ausschnitt aus dem Verdrängungskörper gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2A in einer vergrößerten Schnittdarstellung,
3A–3H Verdrängungskörper gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
4A einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrängungskörper während eines Stadiums eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu seiner Herstellung,
4B einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrängungskörper während eines Stadiums eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu seiner Herstellung,
5 einen Ausschnitt eines Wärmerohrs gemäß einem vierten exemplarischen Ausführungsbeispiel in einer schematischen Längsschnittdarstellung, und
6 einen Ausschnitt eines Wärmerohrs gemäß einem fünften exemplarischen Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung.
In den Ausführungsbeispielen und in den Figuren sind gleiche oder gleichartige sowie gleichwirkende Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Größenverhältnisse der Figuren und der in den Figuren dargestellte Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu verstehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit oder für ein besseres Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1A zeigt ein Wärmerohr 1 gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel in einer stark schematisierten Längsschnittdarstellung.
Das Wärmerohr 1 weist eine in sich geschlossene Rohrleitung 10 auf. Die Rohrleitung 10 hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen gleichbleibenden Innenquerschnitt, der insbesondere eine minimale Querschnittsabmessung D hat. Die Querschnittsabmessung D ist beispielsweise im Fall eines kreisförmigen Querschnitts der Durchmesser. Der Außenquerschnitt kann an verschiedenen Stellen der Rohrleitung 10 unterschiedlich sein.
Die Rohrleitung 10 ist teilweise mit einer Flüssigkeit 20 befüllt. Die Flüssigkeit 20 stellt das Arbeitsmedium des Wärmerohrs 1 dar. Vorzugsweise handelt es sich bei der Flüssigkeit 20 um Wasser. Ein nicht mit der Flüssigkeit 20 gefüllter Bereich der geschlossenen Rohrleitung 10 kann evakuiert sein.
Das Wärmerohr 1 weist einen Verdampfer 30 auf, um einen Teil der Flüssigkeit 20 in der Rohrleitung 10 in Dampf umzuwandeln. Zudem weist das Wärmerohr 1 einen Kondensator 40 auf, um Dampf in der Rohrleitung zu kondensieren. Zweckmäßigerweise ist der Verdampfer 30 in Richtung der Schwerkraft G nachfolgend auf den Kondensator 40 angeordnet. Auf diese Weise ist das Wärmerohr 1 dazu ausgebildet, im Bereich des Verdampfers 30 Verdampfungswärme aufzunehmen, zum Kondensator 40 zu transportieren und dort als Kondensationswärme abzugeben. So ist das Wärmerohr 1 zum Wärmetransport vom Verdampfer 30 zum Kondensator 40 ausgebildet. Bei einer Ausgestaltung ist ein Elektronikmodul 60 mit dem Verdampfer 30 wärmeleitend verbunden um Wärme von dem Elektronikmodul 60 abzuführen.
In der Rohrleitung 10 ist eine Mehrzahl von Verdrängungskörpern 50 angeordnet. Die Verdrängungskörper 50 haben eine Dichte, die größer ist als eine Dichte der Flüssigkeit 20 und sind in der Flüssigkeit 20 beweglich angeordnet. Die Verdrängungskörper 50 haben eine höhere Kompressibilität als die Rohrleitung 10.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der 1A enthält das Wärmerohr 1 Verdrängungskörper 50 die unterschiedliche Größen haben, die unterschiedliche Formen haben und die insbesondere unregelmäßig angeordnet sind.
1B zeigt ein exemplarisches zweites Ausführungsbeispiel eines Wärmerohrs 1. Das Wärmerohr 1 gemäß dem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel entspricht grundsätzlich demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, das in Zusammenhang mit 1A dargestellt ist. Im Gegensatz zu diesem enthält die Rohrleitung 10 jedoch Verdrängungskörper 50, die allesamt die gleiche Form und Größe haben. Auf diese Weise kann der Füllgrad der Verdrängungskörper 50, der für eine zufriedenstellende Sicherung der Rohrleitung gegen Bersten bei Gefrieren der Flüssigkeit 20 erforderlich ist, besonders klein sein.
1C zeigt ein drittes exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Wärmerohrs 1, das im Wesentlichen den Wärmerohren gemäß dem ersten und dem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel entspricht. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Verdampfer 30 eine ebene Anschlussplatte 35 auf, auf welcher das Elektronikmodul 60 angeordnet ist. Eine derartige Anschlussplatte 35 ist auch für die anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung geeignet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Anschlussplatte 35 gemeinsam mit der Rohrleitung 10 extrudiert. Alternativ kann sie auch auf die Rohrleitung geklebt, geschweißt oder hartgelötet sein (siehe die Variante der 1E).
Das Elektronikmodul 60 ist beispielsweise auf die Anschlussplatte 35 geklebt, insbesondere mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff. Alternativ oder zusätzlich kann eine Verbindung zwischen dem Elektronikmodul 60 und der Anschlussplatte 35 auch mittels Klemmung und/oder Verschraubung hergestellt sein.
Bei einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Elektronikmodul 60 um ein elektrisches Steuergerät, insbesondere um ein elektrisches Steuergerät eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise handelt es sich bei dem Steuergerät um ein Motorsteuergerät. Das Wärmerohr 1 ist dann zweckmäßig dazu vorgesehen, Wärme von elektronischen Bauelementen des Steuergeräts über die Rohrleitung 10 zum Kondensator 40 abzuführen. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente passive Kühlung des Steuergeräts erzielbar. Bei einer Variante ist das Elektronikmodul 60 eine Telekommunikationsanlage, die insbesondere im Freien betrieben wird.
Bei einer Ausgestaltung ist das Elektronikmodul 60 ein Solarmodul. Beispielsweise hat das Solarmodul Solarzellen, die mit ihrer Rückseite an dem Verdampfer 30 befestigt sind. So ist eine Kühlung der Solarzellen und damit vorteilhafterweise ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielbar.
Bei einer anderen Ausgestaltung kann der Verdampfer 30 thermisch an eine Spiegelrinne gekoppelt sein und dazu ausgebildet sein, die mittels der Spiegelrinne auf dem Verdampfer 30 konzentrierte Wärme-Energie zumindest teilweise zum Kondensator 40 zu transportieren. Die Arbeitstemperatur am Verdampfer 30 ist dann insbesondere aufgrund eines isothermen Wärmetransports von der Kühlleistung des Kondensators 40 abhängig.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Kondensator 40 an den Wärmetauscher einer Wärmepumpe thermisch angeschlossen. Alternativ kann die Wärme des Kondensators 40 über Wärmetauschbleche an die Umgebungsluft abgegeben werden.
Ein Gesamtvolumen der Verdrängungskörper 50 beträgt zwischen 5 % und 25 %, insbesondere zwischen 10 % und 20 % eines Gesamtvolumens der Flüssigkeit 20 in der geschlossenen Rohrleitung 10, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Eine maximale Abmessung d (siehe z.B. 1D) jedes der Verdrängungskörper ist bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen kleiner oder gleich dem 0,75-fachen der minimalen Innenquerschnitts-Abmessung D der Rohrleitung 10 und größer oder gleich dem 0,25-fachen der minimalen Innenquerschnitts-Abmessung D. Insbesondere beträgt die maximale Abmessung d jedes Verdrängungskörpers etwa 1/2√2 der minimalen Innenquerschnitts-Abmessung D der Rohrleitung 10.
Ausführungsbeispiele für die Verdrängungskörper 50 der Wärmerohre 1 sind im Folgenden genauer erläutert.
2A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verdrängungskörpers 50 in einer schematischen Schnittdarstellung. 2C einen Ausschnitt aus dem Verdrängungskörper gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2A in einer vergrößerten Schnittdarstellung,
Dieser Verdrängungskörper 50 besteht aus einem gasgefüllten ersten Volumenbereich 510. Der erste Volumenbereich ist von einem Schaumstoffkörper aus einem geschlossenzelligen Schaumstoffmaterial gebildet. Bei einer Variante kann ein Integralschaum als Schaumstoffmaterial des Schaumstoffkörpers verwendet sein.
Das Gas – z.B. Luft oder Stickstoff – ist in den geschlossenen Zellen 512 des geschlossenzelligen Schaumstoffmaterials eingeschlossen. Die Zellen 512 sind von Zellwänden 514 des Schaumstoffmaterials gebildet. Die Zellwände 514 sind von einem Matrixmaterial 515 gebildet, in das Partikel 516 eingebettet sind (vgl. 2C). Die Partikel 516 haben eine größere Dichte als das Matrixmaterial 515.
Bei dem Matrixmaterial 515 handelt es sich beispielsweise um Polystyrol, einen Polyurethan, ein geschäumtes Silikon oder ein naturschäumendes Stärkeprodukt. Die Partikel 516 sind zweckmäßigerweise aus einem der weiter vorne bereits genannten Materialien gebildet.
2B einen Verdrängungskörper 50 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung.
Der Verdrängungskörper 50 weist wie derjenige gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einen ersten, gasgefüllten Volumenbereich 510 auf. Um das Gas in dem ersten Volumenbereich 510 einzuschließen und/oder die mechanische Stabilität des Verdrängungskörpers 50 zu erhöhen weist der vorliegende Verdrängungskörper eine elastische Außenhülle 530 auf, die den Schaumstoffkörper vollständig umschließt und so den ersten Volumenbereich 510 begrenzt.
Der gasgefüllte Volumenbereich 510 kann einen Schaumstoffkörper enthalten wie in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Schaumstoffmaterial des Schaumstoffkörpers kann bei dem vorliegenden Verdrängungskörper 50 auch ein offenzelliger Schaumstoff oder ein gemischtzelliger Schaumstoff sein. Bei einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels ist der Schaumstoffkörper weggelassen und die Außenhülle 530 ist lediglich mit dem Gas gefüllt.
Die Außenhülle 530 enthält ein elastisches Kunststoffmaterial wie Polyethylen, Polypropylen oder PTFE oder besteht daraus. Um eine besonders hohe Dichte zu erzielen können Partikel 536 in dem Kunststoffmaterial eingebettet sein, wobei die Partikel 536 eines oder mehrere weiter vorne für die Partikel bereits genannten Materialien aufweisen oder daraus bestehen.
Die 3A bis 3H zeigen Verdrängungskörper 50 gemäß weiteren exemplarischen Ausführungsbeispielen in schematischen Schnittdarstellungen. Diese Verdrängungskörper 50 haben einen ersten, gasgefüllten Volumenbereich 510, der von einer Außenhülle 530 umschlossen ist. Die ersten Volumenbereiche 510 können jeweils ausgebildet sein wie in Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Zusätzlich hat jeder der Verdrängungskörper 50 bei den Ausführungsbeispielen der 3A bis 3H mindestens einen zweiten Volumenbereich 520, der von einem Festkörper gebildet ist und eine größere Dichte hat als der erste Volumenbereich 510. Der zweite Volumenbereich 520 weist mindestens eines der weiter vorne bereits genannten Materialien auf oder besteht aus mindestens einem dieser Materialien.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3A stellt der zweite Volumenbereich 520 einen schweren Kern dar, der vollständig von dem Schaumstoffkörper des ersten Volumenbereichs 510 umschlossen ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3B ist der schwere Kern 520 stellenweise von dem Schaumstoffkörper des ersten Volumenbereichs umschlossen und grenzt stellenweise an die Außenhülle 530 an. Dabei ist der zweite Volumenbereich 520 insbesondere vollständig innerhalb der geschlossenen Außenhülle 530 angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3C sind mehrere – vorliegend drei – schwere Kerne als zweite Volumenbereiche 520 räumlich voneinander getrennt in dem Schaumstoffkörper des ersten Volumenbereichs 510 eingebettet, so dass dieser jeden der zweiten Volumenbereiche 520 vollständig umschließt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3D ist der – genau eine – zweite Volumenbereich 520 in die Außenhülle 530 integriert. Alternativ kann die Außenhülle 530 eine Aussparung 532 haben, die von dem zweiten Volumenbereich 520 ausfüllt ist, so dass insbesondere die Außenhülle 530 und der zweite Volumenbereich 520 gemeinsam – aber nicht einzeln – den Schaumstoffkörper des ersten Volumenbereichs 510 vollständig umschließen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3E grenzt der zweite Volumenbereich 520 von außen – d.h. auf der von dem ersten Volumenbereich 510 abgewandten Seite an die Außenhülle 530 an. Bei dem Verdrängungskörper 50 der 3G sind mehrere von einander räumlich getrennte zweite Volumenbereiche 520 in die Außenhülle 530 eines einzelnen ersten Volumenbereichs 510 integriert oder füllen Aussparungen 532 der Außenhülle 530 aus. Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels grenzen die zweiten Volumenbereiche 520 von außen an die Außenhülle 530 an.
Der Verdrängungskörper 50 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3F hat mehrere, vorliegend drei, erste Volumenbereiche 510, die jeweils von mit einer Außenhülle 530 umschlossenen Schaumstoffkörpern gebildet sind und die um einen gemeinsamen schweren Kern als zweitem Volumenbereich 520 gruppiert sind und an diesen vorzugsweise angrenzen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3H weist der Verdrängungskörper 50 mehrere zweite Volumenbereiche 520 auf, die zwischen je zwei ersten Volumenbereichen 510 positioniert sind.
Die zweiten Volumenbereiche 520 sind bei diesen und anderen Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise Vollkörper, d.h. sie sind nicht hohl. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die zweiten Volumenbereiche 520 alle kugelförmig. Sie können aber auch ellipsoid, polyedrisch oder unregelmäßig geformt sein. Beispielsweise können die zweiten Volumenbereiche 520 von mineralischem Bruchmaterial gebildet sein. Bei Weiterbildungen sind die die zweiten Volumenbereiche 520 bildenden Festkörper mit einer Umhüllung versehen, die zum Beispiel von einer Folie oder einem Lack gebildet sein kann.
Die Außenhüllen 530 haben bei den Ausführungsbeispielen der 3A bis 3D und 3G eine kugelschalenförmige Grundform. Bei den Ausführungsbeispielen der 3Em 3F und 3H ist die Grundform ellipsoid. Beide Formen sind für jedes Ausführungsbeispiel geeignet. Auch eine unregelmäßige Umhüllung des/der zweiten Volumenbereiche(s) 520 mit dem ersten Volumenbereich 510 ist denkbar.
4A zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrängungskörper gemäß dem Ausführungsbeispiel der in Zusammenhang mit 3D beschriebenen Alternative während eines Stadiums eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu seiner Herstellung.
Bei dem Verfahren wird als erster Volumenbereich 510 ein Schaumstoffkörper bereitgestellt, der mit einer Mulde 518 versehen ist. Eine elastische Außenhülle 530 begrenzt den ersten Volumenbereich 510. Die Außenhülle hat eine Aussparung 532, welche mit der Mulde 518 überlappt, so dass eine Öffnung der Mulde 518 stellenweise oder vollständig freigelegt ist.
Ferner wird ein Festkörper als zweiter Volumenbereich 520 bereit gestellt, vorliegend eine Kugel. Die Form der Mulde 518 korrespondiert mit einem Teilstück der Kugel. Die Kugel 520 wird in die Mulde 518 eingesetzt, so dass sie die Mulde 518 des Schaumstoffkörpers und die Aussparung 532 der Außenhülle 530 ausfüllt.
Die Mulde 518 kann paßgerecht oder mit Mindermaß ausgeführt sein. Beispielsweise bei einer Ausführung mit Mindermaß kann mittels des Einsetzens der Kugel 520 in die Mulde 518 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Schaumstoffkörper 510 und der Kugel 520 hergestellt werden. Bei einer Variante hat der zweite Volumenbereich 520 keine Kugelform sondern an seiner Oberfläche sind Halteanker angebracht (in den Figuren nicht dargestellt), die sich beim Einsetzen in den Schaumstoffkörper mit diesem verhaken.
Vor dem Einsetzen des zweiten Volumenbereichs 520 in die Mulde 518 kann ein Klebstoff appliziert werden, um insbesondere eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen dem zweiten Volumenbereich 520 und dem Schaumstoffkörper und/oder der Außenhülle 530 zu erzielen. Das Verfahren kann ein Aufschäumen des Klebstoffs umfassen.
4B zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrängungskörper 50 während eines Stadiums eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu seiner Herstellung.
Im Gegensatz zu dem ersten Verfahren hat der Schaumstoffkörper 510 vorliegend keine vorgefertigte Mulde 518 zum Einbringen des zweiten Volumenbereichs 520. Vielmehr wird der schwere Kern 520 vorliegend unter Verformung des Schaumstoffkörpers in diesen hinein gepresst. Der hergestellte Verdrängungskörper 50 kommt beispielsweise ohne Außenhülle 530 aus. Hat er eine Außenhülle 530, wird der Schaumstoffkörper vorzugsweise nach dem Einpressen des schweren Kerns 520 mit der Außenhülle 530 umformt.
5 zeigt einen Ausschnitt eines Wärmerohrs 1 gemäß einem vierten exemplarischen Ausführungsbeispiel in einer schematischen Längsschnittdarstellung. Das Wärmerohr 1 entspricht beispielsweise im Wesentlichen dem Wärmerohr 1 gemäß dem in Zusammenhang mit 1B erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel.
Abweichend von dem zweiten Ausführungsbeispiel sind bei dem vorliegenden Wärmerohr 1 zwei flüssigkeitsdurchlässige Rückhalte-Elemente 70 in der Rohrleitung 10 positionsfest angeordnet. Die Rückhalte-Elemente 70 sind insbesondere in dem mit Flüssigkeit 20 gefüllten Teil der Rohrleitung 10 angeordnet. Die Verdrängungskörper 50 sind mittels der Rückhalte-Elemente 70 in einem flüssigkeitsgefüllten Teilabschnitt 12 der Rohrleitung 10 eingeschlossen.
Vorliegend sind die Rückhalte-Elemente 70 von metallischen Maschengittern gebildet. Bei einer alternativen Ausgestaltung weist die Rohrleitung 10 Einschnürungen als Rückhalte-Elemente 70 auf. Die Einschnürungen sind zweckmäßigerweise so dimensioniert, dass ihre größte Innenquerschnitts-Abmessung kleiner ist als die kleinste Längenausdehnung der Verdrängungskörper 50.
6 zeigt einen Ausschnitt eines Wärmerohrs 1 gemäß einem fünften exemplarischen Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung. Das Wärmerohr 1 weist, wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel flüssigkeitsdurchlässige Rückhalte-Elemente 70 auf um die Verdrängungskörper 50 in einem Teilabschnitt 12 der Rohrleitung einzuschließen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dieser Teilabschnitt von einem Kugelhahn 14 der Rohrleitung gebildet. Die Rückhalte-Elemente sind insbesondere mit dem Kugelhahn 14 positionsfest verbunden. Die Verdrängungskörper 50 sind auf diese Weise in einem flüssigkeitsführenden Innenteil 12 des Kugelhahns 14 eingeschlossen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19700042 A1 [0003]

Claims

Wärmerohr (1) mit einer geschlossenen Rohrleitung (10) die teilweise mit einer Flüssigkeit (20) befüllt ist, einem Verdampfer (30) um einen Teil der Flüssigkeit (20) in der Rohrleitung (10) in Dampf umzuwandeln und einem Kondensator (40) um Dampf in der Rohrleitung (10) zu Kondensieren, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Flüssigkeit (20) eine Mehrzahl von Verdrängungskörpern (50) beweglich angeordnet ist, – die Verdrängungskörper (50) eine höhere Kompressibilität haben als die Rohrleitung (10), und – eine Dichte der Verdrängungskörper (50) größer ist als eine Dichte der Flüssigkeit (20).
Wärmerohr (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verdrängungskörper (50) jeweils einen ersten Volumenbereich (510) enthalten, in dem ein Gas eingeschlossen ist.
Wärmerohr (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Volumenbereich (510) einen Schaumstoffkörper enthält und der Schaumstoffkörper Zellen (512) aufweist, in denen das Gas eingeschlossen ist.
Wärmerohr (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schaumstoffkörper aus einem Schaumstoff-Material gebildet ist, welches ein Matrixmaterial (515) und in das Matrixmaterial (515) eingebettete Partikel (516) enthält und wobei das Matrixmaterial (515) eine kleinere Dichte hat als die Partikel (516).
Wärmerohr (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Verdrängungskörper (50) jeweils mindestens einen zweiten Volumenbereich (520) aufweisen und der zweite Volumenbereich (520) eine größere Dichte hat als der erste Volumenbereich (510).
Wärmerohr (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Volumenbereich (510) den mindestens einen zweiten Volumenbereich (520) stellenweise oder vollständig umschließt.
Wärmerohr (1) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der zweite Volumenbereich (520) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein mineralisches Material, Quarz, ein nichtoxidierendes Metall, ein Edelstahl, Aluminium, verzinktes Eisen, ein Nichteisenmetall, ein Buntmetall, ein Kupferlegierung, Bronze, Messing, Blei.
Wärmerohr (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdrängungskörper (50) jeweils eine geschlossene Außenhülle (530) aufweisen, die ein elastisches Kunststoffmaterial enthält.
Wärmerohr (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei in das elastische Kunststoffmaterial Partikel (536) eingebettet sind, die eine höhere Dichte haben als das elastische Kunststoffmaterial.
Wärmerohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gesamtvolumen der Verdrängungskörper (50) mindestens 5 % eines Gesamtvolumens der Flüssigkeit (20) in der geschlossenen Rohrleitung (10) ist.
Wärmerohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geschlossene Rohrleitung (10) in sich geschlossen ist.
Wärmerohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine maximale Abmessung (d) jedes der Verdrängungskörper kleiner oder gleich der 0,75-fachen minimalen Innenquerschnitts-Abmessung (D) der Rohrleitung ist.
Wärmerohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem flüssigkeitsdurchlässigen Rückhalte-Element (70), mittels welchem die Verdrängungskörper (50) in einem Teilabschnitt (12) der Rohrleitung (10) eingeschlossen sind.
Wärmerohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Flüssigkeit (20) um Wasser oder um eine Flüssigkeit (20) auf Wasserbasis handelt.