DE102018127928A1 - Heat transport unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmetransporteinheit (1), die insbesondere als flexibles Wärmerohr ausgeführt ist, mit einem Verdampfungsbereich (2) und mit einem Kondensationsbereich (3) sowie einem zwischen Verdampfungsbereich (2) und Kondensationsbereich (3) angeordneten Leitungsbereich (4), über den thermische Energie vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) transportiert wird, und mit einem im Verdampfungsbereich (2) befindlichen Fluid (14), wobei der Leitungsbereich (4) aus zwei Verbindungsleitungen besteht und über eine der beiden Verbindungsleitungen verdampftes Fluid (14') vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) gelangt und die andere der beiden Verbindungsleitungen als Rückflussleitung für kondensiertes Fluid (14) dient.The invention relates to a heat transport unit (1), which is designed in particular as a flexible heat pipe, with an evaporation area (2) and with a condensation area (3) and a line area (4) arranged between the evaporation area (2) and condensation area (3), via which thermal energy is transported from the evaporation area (2) to the condensation area (3), and with a fluid (14) located in the evaporation area (2), the line area (4) consisting of two connecting lines and vaporized fluid (14 ') via one of the two connecting lines. ) from the evaporation area (2) to the condensation area (3) and the other of the two connecting lines serves as a return line for condensed fluid (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmetransporteinheit, die insbesondere als flexibles Wärmerohr ausgeführt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a heat transport unit, which is designed in particular as a flexible heat pipe, according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Wärmerohre sind auch unter dem Begriff „Heatpipes“ bekannt. Derartige Heatpipes besitzen einen Verdampfungsbereich, wo ein Fluid durch Wärmzufuhr verdampft wird. Das dampfförmige Fluid gelangt über einen Rohrabschnitt zu einem Kondensationsbereich, wo das dampfförmige Medium abgekühlt und wieder in den flüssigen Zustand gebracht wird. Das abgekühlte Fluid wird über eine Kapillarstruktur zurück zum Verdampfungsbereich geführt, sodass sich ein ständiger Wärmetransportkreislauf vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich ergibt. Ein derartiges Wärmerohr ist aus der
Aus der
Mit Heatpipes kann eine Wärmeübertragung von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich auch gegen die Schwerkraft erfolgen, da durch die Kapillarwirkung ein Rücktransport des Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich gegen die Schwerkraft möglich ist. Dagegen gibt es auch Wärmerohre, die mittels Schwerkraft betrieben werden, wobei hier das Fluid aufgrund der Schwerkraft vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich zurückfließt.Heat pipes can also be used to transfer heat from an evaporation area to a condensation area against gravity, since the capillary action enables the fluid to be transported back from the condensation area to the evaporation area against gravity. In contrast, there are also heat pipes that are operated by gravity, with the fluid flowing back from the condensation area to the evaporation area due to gravity.
Der Einsatz von Wärmerohren ist äußerst vielseitig und keinesfalls nur auf Anwendungen im Bereich der Mikro- oder Leistungselektronik eingeschränkt. Auch LED-Komponenten, wiederaufladbare Hochleistungsbatterien oder andere Elemente mit hoher Verlustwärme lassen sich mittels Wärmerohren effektiv kühlen. Dabei ist es wünschenswert, dass der Zirkulationskreislauf zwischen Verdampfungsbereich und Kondensationsbereich eine möglichst hohe Kreislaufgeschwindigkeit hat, d. h. dass pro Zeiteinheit möglichst viel Fluid vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich und wieder zurück zum Verdampfungsbereich transportiert wird, wodurch eine Verbesserung der Wärmeübertragung vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich erreicht wird.The use of heat pipes is extremely versatile and is in no way limited to applications in the field of micro or power electronics. LED components, rechargeable high-performance batteries or other elements with high heat loss can also be effectively cooled using heat pipes. It is desirable that the circulation circuit between the evaporation area and the condensation area has the highest possible circulation speed, i. H. that as much fluid as possible is transported from the evaporation area to the condensation area and back to the evaporation area per unit of time, whereby an improvement in the heat transfer from the evaporation area to the condensation area is achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rohrförmige Wärmetransporteinheit zu schaffen, die die Funktion eines Wärmerohrs mit möglichst hoher Wärmetransportleistung hat.The invention has for its object to provide a tubular heat transport unit that has the function of a heat pipe with the highest possible heat transfer performance.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Wärmetransporteinheit, die die Funktion eines Wärmerohrs hat und einen Verdampfungsbereich und einen über einen Leitungsbereich mit diesem in Verbindung stehenden Kondensationsbereich hat, besitzt einen Leitungsbereich der aus zwei Verbindungsleitungen besteht, wobei über eine der beiden Verbindungsleitungen verdampftes Fluid vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich gelangt und über die andere Verbindungsleitung kondensiertes Fluid zum Verdampfungsbereich zurückfließt. Der Einsatz zweier Verbindungsleitungen zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich hat den Vorteil, dass das zurückfließende abgekühlte Fluid von dem zum Kondensationsbereich strömenden verdampften Fluid nicht in seiner Fließgeschwindigkeit beeinträchtig wird. Versuche haben gezeigt, dass mit dieser Anordnung eine hohe Zirkulationsgeschwindigkeit und somit eine sehr effektive Wärmeübertragung vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich des Wärmerohrs erzielt werden kann.The solution to this problem is obtained with the features of
Besonders vorteilhaft ist es, die Verbindungsleitungen zwischen Verdampfungsbereich und Kondensationsbereich als eine flexible Doppelschlauchleitung auszubilden, die vorzugsweise aus einem Außenschlauch und einem im Außenschlauch verlaufenden Innenschlauch besteht. Es kann aber auch eine aus zwei flexiblen, z. B. nebeneinander verlaufenden Schlauchleitungen bestehende Leitungsverbindung verwendet werden, wobei dann der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich jeweils als eine Kammer mit jeweils zwei Schlauchanschlussstücken ausgebildet sein können.It is particularly advantageous to design the connecting lines between the evaporation area and the condensation area as a flexible double hose line, which preferably consists of an outer hose and an inner hose running in the outer hose. But it can also be one of two flexible, e.g. B. existing side-by-side hose lines can be used, in which case the evaporation area and the condensation area can each be formed as a chamber with two hose connectors.
Eine derartige Leitungsverbindung hat den großen Vorteil, dass die Wärmetransporteinheit problemlos an den zu kühlenden Elementen eines Rechners oder eines anderen Geräts positioniert werden kann, wobei Positionstoleranzen durch die Flexibilität der Wärmetransporteinheit völlig unproblematisch sind. Montageprobleme, wie diese bei den herkömmlichen starren Kupfer-Heatpipes auftreten können, werden mit der erfindungsgemäßen flexiblen Wärmetransporteinheit vermieden.Such a line connection has the great advantage that the heat transport unit can be easily positioned on the elements of a computer or other device to be cooled, position tolerances being completely unproblematic due to the flexibility of the heat transport unit are. Assembly problems, as can occur with the conventional rigid copper heat pipes, are avoided with the flexible heat transport unit according to the invention.
In der Wärmetransporteinheit kann in der als Rückflussleitung dienenden Verbindungsleitung eine Kapillarstruktur an der Innenwand vorgesehen sein, womit ein Rücktransport des abgekühlten Fluids zum Verdampfungsbereich unterstützt werden kann.In the heat transport unit, a capillary structure can be provided on the inner wall in the connecting line serving as a return line, whereby a return transport of the cooled fluid to the evaporation area can be supported.
Da die Verbindungsleitungen stets nicht exakt den gleichen Strömungswiderstand aufweisen, wird beim Verdampfungsvorgang das versdampfte Fluid eine der beiden Verbindungsleitungen bevorzugt nutzen, sodass sich daraus von selbst ein Fluidkreislauf in der Wärmetransporteinheit ergibt. Damit eine bestimmte Verbindungsleitung für den Transport des verdampften Fluids und die andere Verbindungsleitung für den Rückfluss des abgekühlten Fluids verwendet wird, kann ein Strömungswiderstandselement im Übergangsbereich zwischen einer der beiden Verbindungsleitungen und dem Verdampfungsbereich angeordnet sein. Dieses Strömungswiderstandselement bewirkt, dass beim Verdampfungsvorgang aufsteigende Gasbläschen die Verbindungsleitung mit dem Strömungswiderstandselement nicht nutzen, sondern die für die aufsteigenden Gasbläschen weiter geöffnete Verbindungsleitung nutzen. Auf diese Weise kann ganz gezielt beispielsweise ein konzentrisch in einem Außenschlauch einliegender Innenschlauch für den Transport des verdampften Fluids zum Kondensator genutzt werden, sodass das abgekühlte Fluid vom Kondensationsbereich über den Zwischenraum zwischen Innenschlauch und Außenschlauch wieder zum Verdampfungsbereich zurückströmt.Since the connecting lines do not always have exactly the same flow resistance, the vaporized fluid will preferably use one of the two connecting lines during the evaporation process, so that this results in a fluid circuit in the heat transport unit. So that a specific connection line is used for the transport of the evaporated fluid and the other connection line for the backflow of the cooled fluid, a flow resistance element can be arranged in the transition area between one of the two connection lines and the evaporation area. This flow resistance element has the effect that gas bubbles rising during the evaporation process do not use the connecting line with the flow resistance element, but instead use the connecting line which is further open for the rising gas bubbles. In this way, for example, an inner hose concentrically located in an outer hose can be used for transporting the evaporated fluid to the condenser, so that the cooled fluid flows back from the condensation area through the space between the inner hose and outer hose to the evaporation area.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Querschnittsfläche der für die Weiterleitung des verdampften Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehenen Verbindungsleitung eine größere Querschnittsfläche im Übergangsbereich vom Verdampfungsbereich zur Verbindungsleitung haben als die für die Rückführung des kondensierten Fluids vorgesehene Verbindungsleitung in diesem Übergangsbereich. Damit wird auch erreicht, dass aufsteigende Gasbläschen beim Verdampfungsvorgang überwiegend in die Verbindungsleitung gelangen, die eine größere Querschnittsfläche hat, sodass auch dadurch gezielt eine Verbindungsleitung für den Transport des Fluids zum Kondensationsbereich vorgegeben werden kann. Die andere Verbindungsleitung wird dann zwangsläufig als Rückflussleitung für das kondensierte und abgekühlte Fluid genutzt.According to a development of the invention, the cross-sectional area of the connecting line provided for the forwarding of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area can have a larger cross-sectional area in the transition area from the evaporation area to the connecting line than the connecting line provided for returning the condensed fluid in this transition area. This also ensures that ascending gas bubbles predominantly get into the connecting line, which has a larger cross-sectional area, during the evaporation process, so that a connecting line for the transport of the fluid to the condensation area can also be specifically specified thereby. The other connecting line is then inevitably used as a return line for the condensed and cooled fluid.
Der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich können vorteilhaft aus einem Kunststoffmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wobei eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch die Verwendung von Zuschlagstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann. Je nach Einsatzgebiet der Wärmetransporteinheit kann der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich z. B. auch als jeweils einseitig geschlossene Kupferröhre ausgebildet sein, wobei an die offenen Seiten dieser Elemente dann die Verbindungsleitungen angeschlossen werden.The evaporation area and the condensation area can advantageously consist of a plastic material with high thermal conductivity, wherein a high thermal conductivity can be achieved by using additives with high thermal conductivity. Depending on the area of application of the heat transport unit, the evaporation area and the condensation area can e.g. B. can also be formed as a copper tube closed on one side, the connecting lines then being connected to the open sides of these elements.
Das in der Wärmetransporteinheit verwendete Fluid besitzt vorzugsweise eine niedrige Siedetemperatur, die beispielsweise bei einem Druck innerhalb der Wärmetransporteinheit von 1 bis 3 bar in einem Bereich zwischen 25° Celsius und 40° Celsius liegen kann. Je nach Einsatzgebiet der Wärmetransporteinheit können auch Fluide verwendet werden, die einen höheren oder niedrigeren Siedepunkt besitzen, der bei einem Druck von 0,001 bis 100 bar in einem Bereich zwischen -20° Celsius und +1000° Celsius liegen kann.The fluid used in the heat transport unit preferably has a low boiling temperature, which can be, for example, at a pressure within the heat transport unit of 1 to 3 bar in a range between 25 ° Celsius and 40 ° Celsius. Depending on the area of application of the heat transport unit, fluids can also be used which have a higher or lower boiling point, which can be between -20 ° Celsius and + 1000 ° Celsius at a pressure of 0.001 to 100 bar.
Ein solches Fluid ist beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Novec
Die für den Transport des verdampften Fluids vorgesehene Verbindungsleitung kann geringfügig in den Raum des Verdampfungsbereichs ragen und tief in den Raum des Kondensationsbereichs hineinragen. Sowohl im Verdampfungsbereich als auch im Kondensationsbereich wird dadurch die Funktionalität der Wärmetransporteinheit positiv unterstützt.The connecting line provided for the transport of the vaporized fluid can protrude slightly into the space of the evaporation area and protrude deeply into the space of the condensation area. The functionality of the heat transport unit is positively supported both in the evaporation area and in the condensation area.
Die an einer Verbindungsleitung ausgebildete Kapillarstruktur kann im Extrusionsverfahren bei der Herstellung der Verbindungsleitung hergestellt werden. Dadurch ergibt sich eine sehr kostengünstige Fertigung für die mit Kapillarwirkung ausgestattete Verbindungsleitung.The capillary structure formed on a connecting line can be produced in the extrusion process during the production of the connecting line. This results in a very inexpensive production for the connecting line equipped with capillary action.
Es besteht auch die Möglichkeit, in den Zwischenraum zwischen einem Außenschlauch und einem Innenschlauch einen längs verlaufenden Docht oder ein entsprechend anderes Element einzulegen, welches eine Kapillarwirkung hat und somit in diesem Zwischenraum einen Rücktransport des abgekühlten Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich unterstützt.There is also the possibility of inserting a longitudinal wick or a corresponding other element into the space between an outer tube and an inner tube, which has a capillary effect and thus supports a return transport of the cooled fluid from the condensation area to the evaporation area in this space.
Die Erfindung wird nachfolgen anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing.
Es zeigen:
-
1 eine Wärmetransporteinheit mit einer flexiblen Doppelschlauchleitung, -
2 eine Wärmetransporteinheit wie bei1 , jedoch mit einem Strömungswiderstandselement im Übergangsbereich zwischen der Doppelschlauchleitung und einem Verdampfungsbereich, -
3 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der Wärmetransporteinheit von2 im Bereich des Strömungswiderstandselements, -
4 einen Querschnitt einer Doppelschlauchleitung mit einer Kapillarstruktur, -
5 einen Längsschnitt entlang der SchnittebeneA-A von4 , -
6 einen Querschnitt einer Doppelschlauchleitung mit einem Dochtelement, -
7 ein Längsschnitt entlang der SchnittebeneB-B der Doppelschlauchleitung von6 und -
8 eine schematisch dargestellte Anordnung von zwischen Thermokopplungseinheiten wirksamen Wärmetransporteinheiten.
-
1 a heat transport unit with a flexible double hose line, -
2nd a heat transport unit like in1 , but with a flow resistance element in the transition area between the double hose line and an evaporation area, -
3rd an enlarged view of a portion of the heat transport unit of2nd in the area of the flow resistance element, -
4th -
5 a longitudinal section along the section planeAA from4th , -
6 3 shows a cross section of a double hose line with a wick element, -
7 a longitudinal section along the section planeBB the double hose line from6 and -
8th a schematically illustrated arrangement of effective heat transport units between thermal coupling units.
Die in
Der Leitungsbereich
Die Doppelschlauchleitung
Die Funktion der Wärmeübertragung wird nun nachfolgen beschrieben.The function of heat transfer will now be described below.
Mit der von der Wärmequelle
Als Fluid
Die Wärmetransporteinheit
In
Die beiden Strömungswiderstandselemente
In
In
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Representative=s name: WITTE, WELLER & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE |