DE102015115032A1 - Heat pipe arrangement and heat dissipation arrangement with such a heat pipe arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmerohranordnung (1) mit mehreren Wärmerohreinheiten (2), die in einer Längsrichtung der Wärmerohranordnung (1) hintereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Wärmerohreinheiten (2) an ihren zueinander weisenden stirnseitigen Enden jeweils miteinander verbunden sind und die Wärmerohreinheiten (2) einen Strömungskanal (3) für ein fluides Medium definieren, der einen geschlossenen Raum bildet, wobei zumindest zwei benachbarte Wärmerohreinheiten (2) an ihrer Verbindungsstelle insbesondere mittels einer Drehkupplung (8) um eine gemeinsame Drehachse (D) relativ zueinander drehbar verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmeabführungsanordnung (16) mit einer solchen Wärmerohranordnung (1).The invention relates to a heat pipe arrangement (1) with a plurality of heat pipe units (2) which are arranged one behind the other in a longitudinal direction of the heat pipe arrangement (1), wherein adjacent heat pipe units (2) are connected to each other at their mutually facing front ends and the heat pipe units (2). define a flow channel (3) for a fluid medium, which forms a closed space, wherein at least two adjacent Wärmerohreinheiten (2) at its junction, in particular by means of a rotary coupling (8) about a common axis of rotation (D) are rotatably connected relative to each other. The invention further relates to a heat dissipation arrangement (16) with such a heat pipe arrangement (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmerohranordnung mit mehreren Wärmerohreinheiten, die in einer Längsrichtung der Wärmerohranordnung hintereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Wärmerohreinheiten an ihren zueinander weisenden stirnseitigen Enden miteinander verbunden sind und die Wärmerohreinheiten einen Strömungskanal für ein fluides Medium bilden, der einen geschlossenen Raum bildet. Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmeabführungsanordnung mit einer solchen Wärmerohranordnung.The present invention relates to a heat pipe assembly having a plurality of heat pipe units arranged one behind the other in a longitudinal direction of the heat pipe assembly with adjacent heat pipe units joined together at their facing ends and the heat pipe units forming a fluid medium flow channel forming a closed space. Furthermore, the invention relates to a heat dissipation arrangement with such a heat pipe arrangement.
Wenn es darum geht Wärme von einer Wärmequelle abzuführen und einem Wärmeverbraucher zuzuführen, werden in der Praxis häufig und seit langem Wärmerohre eingesetzt, die oft auch unter dem englischen Begriff „Heatpipes“ bekannt sind. Bei einem Wärmerohr handelt es sich um ein geschlossenes Zweiphasensystem, wobei in einem Strömungskanal im Inneren des Wärmerohres ein Kühlmedium in zwei unterschiedlichen Phasen zirkuliert, nämlich flüssig und gasförmig. Um einen Wärmetransport von der Wärmequelle zum Wärmeverbraucher zu ermöglichen wird ein Endabschnitt des Wärmerohrs – ein sogenannter Verdampfungsabschnitt – in einem Bereich der Wärmequelle und ein weiterer Endabschnitt des Wärmerohrs – ein sogenannter Kondensationsabschnitt – in einem Bereich des Wärmeverbrauchers angeordnet. Durch die Wärme der Wärmequelle wird das zunächst flüssige Kühlmedium innerhalb des Verdampfungsabschnitts verdampft. Dadurch wird der Druck über dem Flüssigkeitsspiegel im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Strömungskanals führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen zu einer Stelle mit niedrigerer Temperatur, wo er kondensiert. An diesem Kondensationsabschnitt erhöht sich die Temperatur durch die frei werdende Kondensationswärme. Die zuvor aufgenommene latente Wärme wird an die Umgebung, insbesondere an den Wärmeverbraucher, abgegeben. Die flüssige Phase des Kühlmediums gleitet nun entlang der Innenwand des Strömungskanals, z.B. unter Ausnutzung des Prinzips der Kapillarwirkung, in umgekehrter Fließrichtung der Dampfphase des Kühlmediums, die in der Mitte des Strömungskanals eingeschlossen bleibt, zurück zum Verdampfungsabschnitt des Wärmerohrs. When it comes to dissipate heat from a heat source and supply a heat consumer, heat pipes are often used in practice often and for a long time, which are often known under the English term "heat pipes". In a heat pipe is a closed two-phase system, wherein in a flow channel in the interior of the heat pipe, a cooling medium circulates in two different phases, namely liquid and gaseous. In order to enable a heat transfer from the heat source to the heat consumer, an end section of the heat pipe - a so-called evaporation section - is arranged in a region of the heat source and a further end section of the heat pipe - a so-called condensation section - in a region of the heat consumer. Due to the heat of the heat source, the initially liquid cooling medium is evaporated within the evaporation section. As a result, the pressure above the liquid level in the vapor space is locally increased, which leads to a low pressure gradient within the flow channel. The resulting vapor therefore flows to a lower temperature location where it condenses. At this condensation section, the temperature increases due to the released heat of condensation. The previously recorded latent heat is released to the environment, in particular to the heat consumer. The liquid phase of the cooling medium now slides along the inner wall of the flow channel, e.g. taking advantage of the principle of capillary action, in the reverse flow direction of the vapor phase of the cooling medium, which remains trapped in the middle of the flow channel, back to the evaporation section of the heat pipe.
Solche Wärmerohre werden beispielsweise In der Computertechnik eingesetzt, um die Abwärme eines Mikroprozessors vom selbigen abzuführen und an die Kühlrippen eines Kühlkörpers und/oder in den Luftstrom eines Gehäuseventilators abzugeben. Ebenso werden Wärmerohre in der Raumfahrt eingesetzt. Verschiedenartige elektrische Bordausrüstungen im Rumpf eines Raumflugkörpers, wie beispielsweise eines Satelliten, erzeugen während ihrem Betrieb Verlustleistung und strahlen eine entsprechende Wärmemenge in ihre unmittelbare Umgebung innerhalb des Rumpfes ab. Um eine Überhitzung des Rumpfes zu vermeiden, muss ein möglichst großer Teil der im Rumpf entstehenden Wärme in den Weltraum abgeführt werden. Da im Vakuum des Weltraums eine Wärmeabführung durch Wärmeleitung nicht möglich ist, erfolgt eine Kühlung regelmäßig durch thermische Abstrahlung. Wie insbesondere in der
Neben den zuvor beschriebenen Wärmerohren als solche sind auch Wärmerohranordnungen bekannt, die mehrere in Längsrichtung der Wärmerohranordnung hintereinander angeordnete Wärmerohreinheiten aufweisen, wobei benachbarte Wärmerohreinheiten an ihren zueinander weisenden stirnseitigen Enden beispielsweise mittels Kleben oder Schweißen fest und starr miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Wärmerohreinheiten bilden hierbei gemeinsam den für eine Wärmeleitung benötigten abgeschlossenen Strömungskanal für das Kühlmedium. Eine solche Wärmerohranordnung wird insbesondere eingesetzt, wenn eine Wärmeleitung entlang einer besonders langen Strecke erfolgen muss. In einem solchen Fall ist für eine Installation eines ausreichend langen Strömungskanals ein Zusammenfügen mehrerer kürzerer Wärmerohrelemente unumgänglich. Zudem können die einzelnen Wärmerohrelemente unterschiedlich lang und gekrümmt sein, was wiederum eine flexible Streckenführung der Wärmerohranordnung ermöglicht.In addition to the previously described heat pipes as such, heat pipe arrangements are also known which have a plurality of heat pipe units arranged one behind the other in the longitudinal direction of the heat pipe arrangement, wherein adjacent heat pipe units are firmly and rigidly connected to one another at their mutually facing frontal ends, for example by gluing or welding. The interconnected Wärmerohreinheiten here together form the required for a heat conduction flow channel for the cooling medium. Such a heat pipe arrangement is used in particular when a heat conduction must take place along a particularly long distance. In such a case, an assembly of a plurality of shorter heat pipe elements is essential for installation of a sufficiently long flow channel. In addition, the individual heat pipe elements may be different lengths and curved, which in turn allows flexible routing of the heat pipe assembly.
Jedoch ist es bisher nicht möglich, Wärme von einer Wärmequelle mittels einer Wärmerohranordnung einem Wärmeverbraucher zuzuführen, der sich relativ zu einer Wärmequelle bewegt. Denn selbst Wärmerohre, die aus einem in gewissem Maße flexiblen Material hergestellt sind, sind nicht darauf ausgelegt und nicht dafür geeignet, größeren Bewegungen eines Wärmeverbrauchers relativ zu einer Wärmequelle und den damit verbundenen mechanischen Belastungen und Spannungen zu folgen. Gerade dies wäre aber in vielen Bereichen sehr wünschenswert. However, it has not been possible to supply heat from a heat source by means of a heat pipe assembly to a heat consumer that moves relative to a heat source. For even heat pipes made of a somewhat flexible material are not designed and are not capable of following larger movements of a heat consumer relative to a heat source and the associated mechanical stresses and strains. However, this would be very desirable in many areas.
So gibt es beispielsweise bei Helikoptern das Problem, dass der Rotor oder Teile davon bei feuchtkalten Bedingungen vereisen. Deshalb ist es üblich, ein Vereisen des Rotors mittels einer energieaufwendigen elektrischen Beheizung des Rotors zu verhindern oder bereits entstandene Vereisungen dadurch zu beseitigen. Also wäre es wünschenswert die in einer Motoreinheit des Helikopters während seines Betriebes erzeugte Wärme dem Rotor möglichst effizient zuzuführen. Eine ähnliche Problematik taucht im Zusammenhang mit Windkraftanlagen auf, deren Rotoren häufig enteist werden müssen, beispielsweise indem erwärmte Luft per Ventilator durch das Rotorblatt geblasen wird. Solche Enteisungslösungen mittels Warmluft sind jedoch ineffektiv, da Luft als Wärmeleiter ineffizient ist. Somit wäre es begehrenswert die in einer Generatoreinheit einer Windkraftanlage erzeugte Wärme dem Rotor möglichst effizient zuführen zu können.For example, in helicopters there is the problem that the rotor or parts of it freeze in damp cold conditions. Therefore, it is customary to prevent icing of the rotor by means of an energy-consuming electrical heating of the rotor or to eliminate already existing icing. So it would be desirable if the heat generated in a motor unit of the helicopter during its operation the rotor as possible to deliver efficiently. A similar problem arises in connection with wind turbines, the rotors often have to be de-iced, for example by heated air is blown by fan through the rotor blade. However, such de-icing solutions by means of hot air are ineffective, since air is inefficient as a heat conductor. Thus, it would be desirable to be able to supply the heat generated in a generator unit of a wind turbine as efficiently as possible to the rotor.
Nicht nur bei den zuvor beispielhaft beschriebenen terrestrischen Anwendungen, sondern auch bei Weltraumanwendungen stellt sich das Problem wie man Wärme von einer Wärmequelle einem sich relativ zur Wärmequelle bewegenden Wärmeverbraucher zuführen kann. Durch Erhöhung der in einem insbesondere elektrisch angetriebenen Satelliten zu implementierenden Nutzlasten steigt auch die vom Satelliten abzuführende Wärmemenge. Um eine Überhitzung des Rumpfes des Satelliten zu vermeiden, muss Wärme von einer Wärmequelle innerhalb des Rumpfes mittels einer Wärmerohranordnung den an Außenflächen des Rumpfes angebrachten Radiatorflächen eines Radiators zugeführt werden. Da die Wärmeentwicklung gerade bei modernen Satelliten stetig zunimmt, reicht die Abstrahlungskapazität der bisherigen Radiatoren nicht aus. Eine Anbringung zusätzlicher Radiatoren an noch freien Außenflächen des Rumpfes würde allerdings die Masse des Satelliten erhöhen. Somit wäre es vorteilhaft bereits existierende Satellitenkomponenten als Tragekonstruktion für zusätzliche Radiatorflächen nutzen zu können, so dass es nicht notwendig ist, einen kompletten weiteren Radiator inklusive eigener Tragekonstruktion für Radiatorflächen am Satelliten zu installieren. Als solche Satellitenkomponenten kommen insbesondere periphere Abschnitte des Satelliten in Betracht, wie etwa ein in den Weltraum ausfahrbarer Solargenerator, die allerdings meist relativ zum Rumpf des Satelliten beweglich sind. Eine Zuführung von Wärme von einer sich innerhalb des Rumpfes befindlichen Wärmequelle zu einem solchen sich relativ zum Rumpf beweglichen Solargenerator ist mittels der im Stand der Technik bekannten Wärmerohranordnungen nicht möglich. Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmerohranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die es erlaubt, Wärme von einer Wärmequelle einem sich relativ zur Wärmequelle bewegenden Wärmeverbraucher zuzuführen, ohne dass die Wärmerohranordnung dabei unnötigen mechanischen Belastungen oder Spannungen ausgesetzt wird. Des Weiteren soll eine Wärmeabführungsanordnung mit einer solchen Wärmerohranordnung angegeben werden.Not only in the terrestrial applications described above by way of example, but also in space applications, the problem arises how to supply heat from a heat source to a heat consumer moving relative to the heat source. By increasing the payloads to be implemented in a particularly electrically driven satellite, the amount of heat to be dissipated by the satellite also increases. To avoid overheating the hull of the satellite, heat from a heat source within the fuselage must be supplied to the radiator surfaces of a radiator attached to outside surfaces of the fuselage by means of a heat pipe assembly. Since the heat development steadily increases, especially in modern satellites, the radiation capacity of the previous radiators is not sufficient. However, attaching additional radiators to still free outer surfaces of the fuselage would increase the mass of the satellite. Thus, it would be advantageous to be able to use already existing satellite components as a support structure for additional radiator surfaces, so that it is not necessary to install a complete further radiator including its own support structure for radiator surfaces on the satellite. As such satellite components are in particular peripheral portions of the satellite into consideration, such as a space-extendable solar generator, however, are usually relatively movable relative to the fuselage of the satellite. A supply of heat from a heat source located within the fuselage to such a relative to the fuselage movable solar generator is not possible by means of the heat pipe arrangements known in the prior art. Against this background, the present invention has the object to provide a heat pipe arrangement of the type mentioned, which allows to supply heat from a heat source to a relative to the heat source moving heat consumer, without the heat pipe assembly is exposed to unnecessary mechanical stress or stress. Furthermore, a heat dissipation arrangement should be specified with such a heat pipe arrangement.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Wärmerohranordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest zwei benachbarte Wärmerohreinheiten an ihrer Verbindungsstelle insbesondere mittels einer Drehkupplung um eine gemeinsame Drehachse relativ zueinander drehbar verbunden sind. Vorteilhaft sind an mehreren Verbindungsstellen die beiden jeweils benachbarten Wärmerohreinheiten um eine gemeinsame Drehachse relativ zueinander drehbar verbunden, wobei die Drehachsen an den Verbindungsstellen in mindestens zwei unterschiedliche Raumrichtungen weisen und insbesondere senkrecht aufeinander stehen. Dies ist insbesondere bei Befestigung eines stirnseitigen Endbereichs der Wärmerohranordnung im Bereich einer Wärmequelle und eines gegenüberliegenden stirnseitigen Endbereichs der Wärmerohranordnung im Bereich eines Wärmeverbrauchers vorteilhaft, wenn sich der Wärmeverbraucher relativ zur Wärmequelle bewegt. Denn mehrere in unterschiedliche Raumrichtungen weisende Drehachsen verschaffen der Wärmerohranordnung viele Freiheitsgrade, um sich entsprechend den Bewegungen des Wärmeverbrauchers neu auszurichten. Genügend Freiheitsgrade gewährleisten eine Mitführung der Wärmerohranordnung bei sämtlichen möglichen Bewegungen des Wärmeverbrauchers. Somit besteht nicht die Gefahr, dass die Wärmerohranordnung aufgrund der Bewegungen des Wärmeverbrauchers sich an einer Stelle verbiegt, abreißt oder bricht. Ohne eine solche drehbare Verbindung von Wärmerohreinheiten muss in vielen Anwendungsbereichen, wie etwa bei Helikoptern oder Windkraftanlagen, auf den Einsatz einer Wärmerohranordnung verzichtet werden und der Wärmetransport kann nicht effizient und/oder nicht in ausreichender Menge sichergestellt werden. To achieve this object, the present invention provides a heat pipe arrangement of the type mentioned, which is characterized in that at least two adjacent Wärmerohreinheiten are rotatably connected at their junction in particular by means of a rotary coupling about a common axis of rotation relative to each other. Advantageously, at two connection points, the two adjacent heat pipe units are rotatably connected relative to each other about a common axis of rotation, wherein the axes of rotation at the junctions point in at least two different spatial directions and in particular are perpendicular to one another. This is advantageous in particular when fastening an end-side end region of the heat pipe arrangement in the region of a heat source and an opposite end-side end region of the heat pipe arrangement in the region of a heat consumer, when the heat consumer moves relative to the heat source. Because several axes of rotation pointing in different directions provide the heat pipe assembly many degrees of freedom to reorient themselves according to the movements of the heat consumer. Sufficient degrees of freedom ensure entrainment of the heat pipe arrangement in all possible movements of the heat consumer. Thus, there is no danger that the heat pipe assembly will bend, break or break at one point due to the movements of the heat consumer. Without such a rotatable connection of heat pipe units, in many applications, such as helicopters or wind turbines, the use of a heat pipe assembly must be dispensed with and the heat transfer can not be ensured efficiently and / or in sufficient quantity.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die drehbar miteinander verbundenen Wärmerohreinheiten an ihren zueinander weisenden stirnseitigen Endbereichen geradlinig ausgebildet und erstrecken sich insbesondere in der Richtung der gemeinsamen Drehachse, wobei die Wärmerohreinheiten anschließend an die geradlinig ausgebildeten Endbereiche ebenfalls geradlinig oder gebogen ausgebildet sind. Eine zum Teil gebogene Ausbildung der Wärmerohreinheiten ermöglicht eine Ausgestaltung der Wärmerohranordnung nach Art einer Drehgelenkschere. Die Wärmerohranordnung kann somit den Bewegungen des Wärmeverbrauchers durch eine Rekonfiguration des durch den Strömungskanal vorgegebenen Wärmewegs im dreidimensionalen Raum folgen. Eine geradlinige Ausbildung der beiden Wärmerohreinheiten bietet hingegen den Vorteil, dass sich der Wärmeweg insbesondere bei einer ausschließlichen Drehbewegung des Wärmeverbrauchers um die gemeinsame Drehachse der beiden Wärmerohreinheiten, nicht ändert. According to one embodiment of the invention, the heat pipe units rotatably connected to each other are rectilinearly formed at their facing end portions and extend in particular in the direction of the common axis of rotation, wherein the heat pipe units are also formed straight or curved after the rectilinear end portions. A partially curved design of the heat pipe units allows an embodiment of the heat pipe assembly in the manner of a swivel joint scissors. The heat pipe arrangement can thus follow the movements of the heat consumer by means of a reconfiguration of the heat path predetermined by the flow channel in three-dimensional space. A rectilinear design of the two heat pipe units, on the other hand, offers the advantage that the heat path does not change, especially in the case of an exclusive rotary movement of the heat consumer about the common axis of rotation of the two heat pipe units.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind an wenigstens einer Verbindungsstelle die beiden benachbarten Wärmerohreinheiten an ihren stirnseitigen Endbereichen als Kupplungsglieder ausgebildet oder tragen Kupplungsglieder einer Drehkupplung, welche als zylindrische weibliche und männliche Kupplungsglieder ausgebildet sind, die relativ zueinander drehbar zusammengesteckt sind. Solche zylindrisch ausgebildeten weiblichen und männlichen Kupplungsglieder sind vorteilhaft, da sie eine einfach und schnell realisierbare drehbare Verbindung zweier benachbarter Wärmerohreinheiten ermöglichen, welche bei Bedarf auch wieder problemlos gelöst werden kann.According to a further embodiment of the invention, the two adjacent Wärmerohreinheiten at at least one connection point their front end portions formed as coupling members or wear coupling members of a rotary coupling, which are formed as cylindrical female and male coupling members which are rotatably mated relative to each other. Such cylindrically shaped female and male coupling members are advantageous because they allow a simple and quick to implement rotatable connection of two adjacent Wärmerohreinheiten, which can be easily solved if necessary.
Bevorzugt sind die zusammengesteckten Kupplungsglieder nach Art einer Gleitlagerung drehbar miteinander verbunden und ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, um die beiden Wärmerohreinheiten und insbesondere die daran vorgesehenen Kupplungsglieder axial miteinander zu verbinden, wobei die Haltevorrichtung insbesondere eine Halteschelle aufweist, welche radial von den Kupplungsgliedern vorstehende Verbindungsflansche an ihren voneinander wegweisenden Seiten umgreift. Eine Gleitlagerung ist insbesondere vorteilhaft, weil sie leicht umsetzbar ist. Es kann sich grundsätzlich um eine Schmiermittel-, schmiermittelfreie oder selbstschmierende Gleitlagerung handeln. Bei Weltraumanwendungen der Wärmerohranordnung ist insbesondere eine schmiermittelfreie Gleitlagerung von Vorteil, da beim Einsatz von Schiermitteln die Gefahr besteht, dass diese im Vakuum des Weltraums ausdampfen. In diesem Fall sind eine Innenfläche des weiblichen Kupplungsglieds und eine Außenfläche des männlichen Kupplungsglieds vorzugsweise aus abriebfesten Materialien mit einem geringen Reibungskoeffizienten vorgesehen. Bei einer selbstschmierenden Gleitlagerung sind die Innenfläche des weiblichen Kupplungsglieds und/oder die Außenfläche des männlichen Kupplungsglieds aus einem Material mit Selbstschmiereigenschaft gefertigt oder mit einem solchen Material beschichtet. Als ein solches Material mit Selbstschmiereigenschaft kommt insbesondere ein mit Blei oder Zinn legiertes Material, ein Kunststoff wie PTFE, eine technische Keramik oder in Messing eingebettetes Graphit in Frage, um nur einige Beispiele zu nennen. Im Falle einer Schmiermittelgleitlagerung kommen als Schmiermittel sämtliche in diesem Bereich übliche Schmiermittel in Betracht. Die Haltevorrichtung der Wärmerohranordnung gewährleistet, dass sich die beiden axial zusammengesteckten Kupplungsglieder nur in einem beschränkten Maße wieder in die entgegengesetzte axiale Richtung auseinanderbewegen. Somit ist sichergestellt, dass der von den Wärmerohreinheiten gebildete Strömungskanal nicht unterbrochen wird. Preferably, the mated coupling members are rotatably connected to each other in the manner of a sliding bearing and a holding device is provided to axially connect the two heat pipe units and in particular the coupling members provided thereon, wherein the holding device in particular has a holding clamp, which radially on the coupling members protruding connecting flanges at their encompassing sides of groundbreaking pages. A plain bearing is particularly advantageous because it is easy to implement. It may in principle be a lubricant, lubricant-free or self-lubricating plain bearing. In space applications of the heat pipe arrangement, in particular, a lubricant-free sliding bearing is advantageous, since the use of skimmers there is a risk that they evaporate in the vacuum of space. In this case, an inner surface of the female coupling member and an outer surface of the male coupling member are preferably made of abrasion-resistant materials having a low coefficient of friction. In a self-lubricating slide bearing, the inner surface of the female coupling member and / or the outer surface of the male coupling member are made of or coated with a material having a self-lubricating property. As such a material with self-lubricating property is in particular a lead or tin alloyed material, a plastic such as PTFE, a technical ceramics or graphite embedded in brass in question, just to name a few examples. In the case of a lubricant sliding bearing come as lubricant all usual in this area lubricants into consideration. The holding device of the heat pipe arrangement ensures that the two axially mated coupling members move apart again only to a limited extent in the opposite axial direction. This ensures that the flow channel formed by the heat pipe units is not interrupted.
Alternativ können die zusammengesteckten Kupplungsglieder auch nach Art einer Wälzlagerung drehbar miteinander verbunden sein. Hierbei kann es sich um eine Schmiermittel-, schmiermittelfreie oder selbstschmierende Wälzlagerung handeln, wobei diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen zur Gleitlagerung verwiesen wird. Aufgrund der Bauart einer solchen Wälzlagerung kann im Gegensatz zu einer Gleitlagerung vorteilhafterweise auf eine separate Haltevorrichtung verzichtet werden.Alternatively, the mated coupling members may be rotatably connected to each other in the manner of a rolling bearing. This may be a lubricant, lubricant-free or self-lubricating rolling bearing, reference being made in this regard to the above statements on sliding bearing. Due to the design of such a roller bearing can be advantageously dispensed with a separate holding device in contrast to a sliding bearing.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein zwischen den zusammengesteckten Kupplungsgliedern gebildeter Ringspalt abgedichtet. Hierdurch wird verhindert, dass das sich im Strömungskanal befindliche fluide Medium durch den Ringspalt aus der Wärmerohranordnung austritt, was dazu führen würde, dass eine Wärmeleitung nur noch eingeschränkt oder gar nicht mehr möglich wäre. Die Abdichtung kann hierbei mit Hilfe eines Dichtungsrings und/oder eines sich im Ringspalt befindlichen Schmiermittels erfolgen, um nur einige Beispiele zu nennen.According to a further embodiment of the invention, an annular gap formed between the assembled coupling members is sealed. This prevents that the fluid medium located in the flow channel exits through the annular gap from the heat pipe arrangement, which would lead to a heat conduction would be limited or no longer possible. The sealing can be done with the aid of a sealing ring and / or a lubricant located in the annular gap, to name just a few examples.
Vorteilhaft kann zur Abdichtung wenigstens einer Verbindungsstelle zwischen zwei drehbar miteinander verbundenen Wärmerohreinheiten eine Kapsel vorgesehen sein, welche die beiden drehbar miteinander verbundenen Endbereiche der Wärmerohreinheiten unter Bildung eines Druckraums umschließt, in welchem ein Druck aufbaubar ist, der einem Entweichen des fluiden Mediums aus dem Strömungskanal entgegenwirkt oder das Entweichen verhindert. Um einen Druck innerhalb der Kapsel aufbauen zu können, ist die Kapsel vorzugsweise als starre Kapsel ausgebildet. Vorteilhaft ist der innerhalb der Kapsel aufgebaute Druck ein innerer Überdruck, der etwa einem höchsten Druck innerhalb des Strömungskanals entspricht, um ein Entweichen des fluiden Mediums aus dem Strömungskanal zu verhindern. Die Kapsel kann auch die Funktion einer Haltevorrichtung zur axialen Verbindung von nach Art einer Gleitlagerung ausgebildeten Kupplungsgliedern mitübernehmen.Advantageously, to seal at least one connection point between two rotatably interconnected Wärmerohreinheiten be provided a capsule which surrounds the two rotatably interconnected end portions of the Wärmerohreinheiten to form a pressure chamber in which a pressure can be built up, which counteracts escape of the fluid medium from the flow channel or prevents the escape. In order to be able to build up a pressure within the capsule, the capsule is preferably designed as a rigid capsule. Advantageously, the pressure built up within the capsule is an internal overpressure that corresponds approximately to a maximum pressure within the flow channel in order to prevent escape of the fluid medium from the flow channel. The capsule can also take over the function of a holding device for the axial connection of trained in the manner of a sliding bearing coupling members.
Bevorzugt sind an einer Innenwandung des Strömungskanals eine Vielzahl von in Längsrichtung des Strömungskanals verlaufenden rillenförmigen Kapillarstrukturen vorgesehen, wobei die rillenförmigen Kapillarstrukturen insbesondere parallel und in einem gleichmäßigen Abstand zueinander entlang der Innenwandung des Strömungskanals angeordnet sind. Die genaue Form der Kapillarstrukturen hängt auch von der Einbaulage der Wärmerohreinheiten der Wärmerohranordnung ab. So kann es nötig sein, die Kapillarwirkung solcher Längsrillen durch feinmaschige Kupfergeflechte oder gesinterte Kupferkügelchen innerhalb des Strömungskanals zu unterstützen. Die Kapillarstrukturen sorgen dafür, dass das fluide Medium in seinem flüssigen Zustand durch Kapillarkräfte zu der Stelle der Wärmerohranordnung zurückgeführt wird, wo die Wärme der Wärmequelle eingeleitet wurde. Bevorzugt sind die rillenförmigen Kapillarstrukturen an der Verbindungsstelle zweier relativ zueinander drehbar verbundenen Wärmerohreinheiten unterbrochen. Vorteilhaft laufen deshalb die einzelnen Längsrillen in Richtung der Verbindungsstelle aus. Die parallelen und im gleichen Abstand zueinander angeordneten Längsrillen bieten den Vorteil, dass bei einer Drehung der beiden Wärmerohreinheiten in diskreten Winkelschritten, die jeweils dem Abstand zweier Längsrillen entsprechen, in jeder Drehlage der beiden Wärmerohreinheiten die Längsrillen nach der Verbindungsstelle ohne seitlichen Versatz zueinander weiterverlaufen. Dies stellt eine effiziente Wärmeleitung der Wärmerohranordnung in jeder Drehlage sicher. Anstatt durch die mittels der Kapillarstrukturen erzeugten Kapillarkräfte kann die Zurückführung des fluiden Mediums in seinem flüssigen Zustand zu der Stelle der Wärmerohranordnung, wo die Wärme der Wärmequelle eingeleitet wurde, alternativ auch durch Ausnutzung der Schwerkraft erfolgen.Preferably, a plurality of groove-shaped capillary structures extending in the longitudinal direction of the flow channel are provided on an inner wall of the flow channel, wherein the groove-shaped capillary structures are arranged in particular parallel and at a uniform distance from each other along the inner wall of the flow channel. The exact shape of the capillary structures also depends on the mounting position of the heat pipe units of the heat pipe assembly. Thus, it may be necessary to assist the capillary action of such longitudinal grooves by fine-mesh copper braids or sintered copper spheres within the flow channel. The capillary structures ensure that the fluid medium in its liquid state is returned by capillary forces to the location of the heat pipe arrangement where heat from the heat source has been introduced. Preferably, the groove-shaped capillary structures at the junction of two rotatably connected relative to each other Heat pipe units interrupted. Advantageously, therefore, the individual longitudinal grooves run in the direction of the connection point. The parallel and equally spaced longitudinal grooves offer the advantage that in a rotation of the two Wärmerohreinheiten in discrete angular increments, each corresponding to the distance between two longitudinal grooves in each rotational position of the two Wärmerohreinheiten the longitudinal grooves on the joint without lateral offset continue to each other. This ensures efficient heat conduction of the heat pipe assembly in each rotational position. Instead of the capillary forces generated by the capillary structures, the return of the fluid medium in its liquid state to the location of the heat pipe assembly where the heat of the heat source has been introduced may alternatively be accomplished by utilizing gravity.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner eine Wärmeabführungsanordnung der eingangs genannten Art, wobei die Wärmeabführungsanordnung eine Wärmequelle aufweist, welche über eine erfindungsgemäße Wärmerohranordnung mit einem relativ zur Wärmequelle beweglichen Wärmeverbraucher verbunden ist. Erst die erfindungsgemäße Wärmerohranordnung mit zumindest zwei drehbar miteinander verbundenen Wärmerohreinheiten macht es möglich, Wärme von der Wärmequelle dem sich relativ zur Wärmequelle bewegenden Wärmeverbraucher zuzuführen.To achieve the object mentioned, the present invention further provides a heat dissipation arrangement of the type mentioned, wherein the heat dissipation arrangement comprises a heat source, which is connected via a heat pipe arrangement according to the invention with a relative to the heat source movable heat consumer. Only the heat pipe arrangement according to the invention with at least two heat pipe units rotatably connected to one another makes it possible to supply heat from the heat source to the heat consumer moving relative to the heat source.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die Wärmequelle der Wärmeabführungsanordnung in einem Rumpf eines Raumflugkörpers, insbesondere eines Satelliten, und ist der Wärmeverbraucher der Wärmeabführungsanordnung ein Solargenerator des Raumflugkörpers, der sich außerhalb des Rumpfs des Raumflugkörpers befindet und mit diesem verbunden ist, wobei der Solargenerator mehrere Solarpaneele aufweist, an deren Vorderseite Solarzellen und an deren Rückseite Radiatorflächen zum Abstrahlen der Wärme der Wärmequelle vorgesehen sind. Bevorzugt handelt es sich bei der Wärmequelle um einen Antrieb des Raumflugkörpers und/oder im Rumpf des Raumflugkörpers verbaute elektronische Komponenten, um nur einige Beispiele zu nennen. Die Anbringung von Radiatorflächen auf der Rückseite der Solarpaneele des Solargenerators erhöht die Wärmeabführungskapazität des Raumflugkörpers, ohne dessen Masse signifikant zu erhöhen. Zudem ist eine weitere Erhöhung der Wärmeabführungskapazität je nach aktueller Anforderung des Raumflugkörpers durch eine Erweiterung der Radiatorflächen über weitere Paneele möglich, ohne dass ein vollständig neues Thermalkonzept notwendig wird. Da die Vorderseite der Solarpaneele mit den Solarzellen immer in Richtung der Sonne ausgerichtet wird, ist die Anbringung von Radiatorflächen auf der der Sonne abgewandten Rückseite der Solarpaneele in doppelter Hinsicht vorteilhaft. Zum einen wird die Rückseite der Solarpaneele nicht für die Solarzellen benötigt. Zum anderen ist wichtig, dass die Radiatorflächen nicht direkt der Sonne ausgesetzt sind, da diese nicht nur viel Wärme abstrahlen sondern auch ebenso viel Sonnenstrahlung absorbieren können, was sich negativ auf die Wärmebilanz auswirkt. According to one embodiment of the invention, the heat source of the heat dissipation arrangement is located in a fuselage of a spacecraft, in particular a satellite, and the heat consumer of the heat dissipation arrangement is a spacecraft solar generator located outside and connected to the fuselage of the spacecraft, the solar generator comprising a plurality Solar panels having at the front solar cells and at the rear radiator surfaces are provided for radiating the heat of the heat source. The heat source is preferably a drive of the spacecraft and / or electronic components installed in the fuselage of the spacecraft, to name just a few examples. The attachment of radiator surfaces on the back of the solar panel solar panels increases the heat sink capacity of the spacecraft without significantly increasing its mass. In addition, a further increase in the heat dissipation capacity is possible depending on the current requirement of the spacecraft by extending the radiator surfaces on other panels, without a completely new thermal concept is necessary. Since the front of the solar panels is always aligned with the solar cells in the direction of the sun, the attachment of radiator surfaces on the solar side facing away from the solar panels is advantageous in two respects. First, the back of the solar panels is not needed for the solar cells. On the other hand, it is important that the radiator surfaces are not directly exposed to the sun, as these not only emit a lot of heat but can also absorb as much solar radiation, which has a negative effect on the heat balance.
Ebenso kann die Wärmerohranordnung in einer beweglichen tragenden Konstruktion des Solargenerators integriert sein, wobei die Verbindungsstellen, an denen zueinander weisende stirnseitige Enden benachbarter Wärmerohreinheiten der Wärmerohranordnung drehbar verbunden sind, an Drehpunkten oder Drehgelenken der sich beweglichen tragenden Konstruktion des Solargenerators vorgesehen sind. Durch die Integration der Wärmerohranordnung in die tragende Konstruktion des Solargenerators wird die Gesamtmasse des Raumflugkörpers gering gehalten und zudem Platz eingespart. Die Anordnung der Verbindungsstellen der Wärmerohranordnung an den Drehpunkten oder Drehgelenken der tragenden Konstruktion des Solargenerators bietet den Vorteil, dass sichergestellt ist, dass die Wärmerohranordnung dieselben Freiheitsgrade und somit dieselbe Beweglichkeit im dreidimensionalen Raum hat, wie die bewegliche tragende Konstruktion des Solargenerators.Likewise, the heat pipe assembly may be integrated in a movable supporting structure of the solar generator, wherein the connection points at which mutually facing frontal ends of adjacent Wärmerohreinheiten the heat pipe assembly are rotatably connected to pivot points or hinges of the mobile supporting structure of the solar generator are provided. By integrating the heat pipe assembly in the supporting structure of the solar generator, the total mass of the spacecraft is kept low and also saves space. The arrangement of the joints of the heat pipe assembly at the pivot points or hinges of the supporting structure of the solar generator offers the advantage of ensuring that the heat pipe assembly has the same degrees of freedom and thus the same mobility in three-dimensional space as the movable supporting structure of the solar generator.
Bevorzugt ist der Solargenerator des Raumflugkörpers über einen Mechanismus zum Drehen von Solarpaneelen, einen sogenannten „Solar Array Drive Mechanism“, SADM, zur kontinuierlichen Ausrichtung des Solargenerators auf die Sonne mit dem Rumpf des Raumflugkörpers verbunden, wobei eine Verbindungsstelle zweier benachbarter und drehbar miteinander verbundener Wärmerohreinheiten an dem SADM vorgesehen ist. Der SADM sorgt für eine kontinuierliche Ausrichtung der Solarpaneele auf die Sonne. Hierbei wird eine der beiden drehbar verbundenen Wärmerohreinheiten und somit zugleich der mit dieser Wärmerohreinheit verbundene Solargenerator über einen Zeitraum von 24 Stunden einmal um 360° relativ zur anderen Wärmerohreinheit um die gemeinsame Drehachse der beiden drehbar verbundenen Wärmerohreinheiten gedreht. Durch eine solche Kombination von einer Verbindungsstelle mit dem SADM wird eine kontinuierliche Nachführung des Solargenerators durch den SADM ohne Abriss der Wärmerohranordnung ermöglicht.Preferably, the solar generator of the spacecraft is connected via a mechanism for rotating solar panels, a so-called "Solar Array Drive Mechanism", SADM, for continuous alignment of the solar generator to the sun with the fuselage of the spacecraft, wherein a junction of two adjacent and rotatably interconnected Wärmerohreinheiten provided at the SADM. The SADM ensures a continuous alignment of the solar panels with the sun. Here, one of the two rotatably connected heat pipe units and thus at the same time connected to this heat pipe unit solar generator over a period of 24 hours once rotated by 360 ° relative to the other heat pipe unit about the common axis of rotation of the two rotatably connected heat pipe units. Such a combination of a junction with the SADM allows continuous tracking of the solar generator by the SADM without demolition of the heat pipe assembly.
Vorteilhaft ist die Wärmequelle eine Motoreinheit eines Helikopters und der Wärmeverbraucher ein vereisungsanfälliger Teil eines Rotors des Helikopters oder ist die Wärmequelle eine Generatoreinheit einer Windkraftanlage oder eine Erd-/Wasserwärmequelle und der Wärmeverbraucher ein vereisungsanfälliger Teil eines Rotors der Windkraftanlage. Somit kann Wärme, die beispielsweise in der Motoreinheit des Helikopters oder in der Generatoreinheit der Windkraftanlage entsteht, mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Wärmerohranordnung einem Wärmeverbraucher, hier dem vereisungsanfälligen Teil des Rotors, zugeführt werden, um den Rotor zu enteisen. Energieaufwendige elektrische Heizvorrichtungen oder ineffiziente Heizvorrichtungen mit Warmluft werden nicht mehr benötigt.Advantageously, the heat source is an engine unit of a helicopter and the heat consumer is a icing-prone part of a rotor of the helicopter or the heat source is a generator unit of a wind turbine or a ground / water heat source and the heat consumer is a icing-prone part of a rotor of the wind turbine. Thus, heat that is produced for example in the engine unit of the helicopter or in the generator unit of the wind turbine, using a heat pipe assembly according to the invention a heat consumer, here the icing-prone part of the rotor, are supplied to de-ice the rotor. Energy consuming electric heaters or inefficient hot air heaters are no longer needed.
Mit der oben beschriebenen Wärmerohranordnung wird also erstmalig eine Wärmerohranordnung bereitgestellt, die es erlaubt, Wärme von einer Wärmequelle einem sich relativ zur Wärmequelle bewegenden Wärmeverbraucher zuzuführen ohne dass die Wärmerohranordnung unnötigen mechanischen Belastungen oder Spannungen ausgesetzt wird. Des Weiteren wird erstmalig eine Wärmeabführungsanordnung mit einer solchen Wärmerohranordnung bereitgestellt.With the heat pipe arrangement described above, therefore, a heat pipe arrangement is provided for the first time, which allows heat from a heat source to be supplied to a heat consumer moving relative to the heat source without exposing the heat pipe arrangement to unnecessary mechanical stresses or strains. Furthermore, for the first time, a heat dissipation arrangement with such a heat pipe arrangement is provided.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung zwei alternativer Ausführungsformen einer Wärmerohranordnung sowie einer Ausführungsform einer Wärmeabführungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of two alternative embodiments of a heat pipe assembly and an embodiment of a heat dissipation arrangement according to the present invention with reference to the accompanying drawings. That's it
Die
Die beiden Wärmerohreinheiten
Um einen Wärmetransport von einer Wärmequelle zu einem Wärmeverbraucher zu ermöglichen, ist ein Endabschnitt der Wärmerohranordnung
Die beiden Wärmerohreinheiten
Die drehbar miteinander verbundenen Wärmerohreinheiten
In der Schnittansicht der Wärmerohranordnung
Die
Um die Wärme der Wärmequelle
Da die Drehachsen der Drehkupplungen
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wärmerohranordnung Heat pipe assembly
- 22
- Wärmerohreinheiten Heat pipe units
- 33
- Strömungskanal flow channel
- 44
- stirnseitiges Ende der Wärmerohranordnung frontal end of the heat pipe assembly
- 55
- gegenüberliegendes stirnseitiges Ende der Wärmerohranordnung opposite end face of the heat pipe assembly
- 66
- Innenwand des Strömungskanals Inner wall of the flow channel
- 77
- rillenförmige Kapillarstrukturen grooved capillary structures
- 88th
- Drehkupplung rotary joint
- 99
- stirnseitige Endbereiche der Wärmerohreinheiten end-side end portions of the heat pipe units
- 1010
- weibliches Kupplungsglied female coupling member
- 1111
- männliches Kupplungsglied male coupling member
- 1212
- Verbindungsflansch des weiblichen Kupplungsglieds Connecting flange of the female coupling member
- 1313
- Verbindungsflansch des männlichen Kupplungsglieds Connecting flange of the male coupling member
- 1414
- Halteschelle Supporting collar
- 1515
- Satellit satellite
- 1616
- Wärmeabführungsanordnung Heat dissipation arrangement
- 1717
- Rumpf des Satelliten Hull of the satellite
- 1818
- Wärmequelle heat source
- 1919
- Solargenerator solar generator
- 2020
- bewegliche tragende Konstruktion des Solargenerators mobile solar generator carrying structure
- 2121
- Drehgelenke swivel joints
- 2222
- Solarpaneele solar panels
- 2323
- SADM SADM
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19908683 [0003] DE 19908683 [0003]
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-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |