DE1501505B2

DE1501505B2 - Kapillarstruktureinsatz fuer waermeroehren und verfahren zur herstellung eines solchen einsatzes

Info

Publication number: DE1501505B2
Application number: DE19651501505
Authority: DE
Inventors: Claus Adolf Laveno Caron Rene Ispra Busse (Italien) Grover, George Maurice, New Mexico (V St A)
Original assignee: Europaische Atomgemeinschaft Eura tom, Brüssel
Priority date: 1965-02-08
Filing date: 1965-02-08
Publication date: 1973-02-01
Also published as: GB1125485A; DE1501505A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kapillarstruktureinsatz für Wärmeröhren, bestehend aus einem der inneren Oberfläche der Wärmeröhre angepaßten hohlen, einstückigen, mindestens einseitig offenen metallischen Grundkörper.

Wärmeröhren sind endseitig geschlossene Metallrohre mit einer Verdampfer- und einer Kondensationszone am Anfang bzw. Ende des Rohres, und mit einem Quantum flüssigen, verdampfbaren Wärmeträgers im Inneren des Rohres. Durch Beheizen der Verdampferzone entsteht in der Röhre eine geschlossene Umlaufströmung mit einem Wärmetransport zur Kondensationszone.

Besonders im gravitationsfreien Raum ist für den Rücktransport des Kondensats zur Verdampferzone eine Kapillarstruktur an der Innenwand der Röhre erforderlich. Bisher wurden solche Strukturen durch poröse Keramikeinsätze oder Einsätze aus gewickeltem feinmaschigem Draht gebildet. Es ist auch vorgeschlagen worden, statt dessen die Wärmeröhre selber innen mit Kapillarrillen zu versehen.

Keramik- und Drahtwickeleinsätze haben gemeinsam den Nachteil, daß die Kapillardimensionen schlecht kontrollierbar sind. Drahtwickeleinsätze verlieren außerdem im Betrieb rasch ihre Wirksamkeit, da sie unter dem Einfluß der thermischen Wechselbeanspruchung durch den Wärmeträger allmählich verziehen und von der Wandung der Wärmeröhre ablösen. Keramikeinsätze sind zwar thermisch stabil, eignen sich aber nur für tiefe bis mittlere Betriebstemperaturen und außerdem nur für ganz bestimmte Wärmeträger. Wärmeröhren, die selber mit Kapillarrillen versehen sind, unterliegen allen diesen Einschränkungen nicht, ihre Fertigung ist aber in gewissen Fällen, z.B. bei unsymmetrischer Gestalt, kompliziert.

Es ist eine Kapillarstruktur für einen Absorber bekanntgeworden, die in Umfangsrichtung an der Rohrinnenwand verlaufende Kapillarrillen und größere, schraubenförmig gewundene Rillen aufweist.

Beide Rillen laufen an der Innenwand des Rohres. Hiernach handelt es sich nicht um einen Kapillarstruktureinsatz, sondern um Kapillarrillen direkt in einer Rohrwandung.
Der Erfindung liegt ausgehend vom eingangs genannten Kapillarstruktureinsatz die Aufgabe zugrunde, eine relativ leicht herstellbare Gestaltung zu finden, die eine poröse Bemessung der Kapillardimensionen und deren Aufrechterhaltung während des Betriebs gewährleistet und die in sich so steif und stabil ist, daß der Einsatz auch während der ganzen Betriebszeit an der Wandung der Wärmeröhre anliegend bleibt.

Die Aufgabe wird ausgehend vom eingangs bezeichneten Kapillarstruktureinsatz gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Grundkörper Kapillarrillen in der Außenfläche und quer dazu verlaufende Eintiefungen in der Innenfläche aufweist, und die Tiefe der Kapillarrillen und Eintiefungen so gewählt ist, daß sie als offene Durchbrüche ineinander übergehen.

Die Erfindung greift also einerseits auf den stabilen Kapillarstruktureinsatz, andererseits auf die Rillenstruktur zurück, und verbindet beide in einer Weise, daß man damit allen Ansprüchen — den fabrikatorischen wie den technisch-physikalischen — gerecht werden kann.

Die Kapillarrillen können in ihrem Verlauf in der verschiedensten Weise über den Einsatz geführt werden, z.B. als Längsrillen, als Schraubenlinien oder als geschlossene Ringrillen, u. ä. In jedem Falle aber kreuzen Eintiefungen und Außenrillen einander.

Während die Kapillarrillen ihrem Wesen nach feiner und schmal gehalten sind, werden die Eintiefungen breit und flächig ausgebildet, da sie den Zweck haben, eine Verbindung zwischen den Kapillarrillen und dem Innenraum der Wärmeröhre herzustellen. Ihre Zahl hängt mittelbar von der gewünschten Steifigkeit des Kapillarstruktureinsatzes ab, die dieser vornehmlich durch die zwischen den Eintiefungen zwangläufig erzeugten Quergurte erhält. Unmittelbar bestimmt also die gewünschte Zahl der Quergurte die Anzahl der Eintiefungen.

Bei kurzen Wärmeröhren größeren Durchmessers können die Kapillarstruktureinsätze relativ einfach aus einem entsprechenden Stück Rohr herausgearbeitet werden. An einem solchen Rohr werden an der Außenseite die Kapillarrillen z. B. in Längsrichtung eingefräst, während Eintiefungen an der Innenseite eingedreht werden. Auch bei längeren Wärmeröhren können die Kapillarstruktureinsätze im Prinzip aus einem oder mehreren Ausgangsrohrstücken hergestellt werden. Doch wird besonders bei Röhren mit kleinem Durchmesser die Bearbeitung der Rohr-

stücke an der Innenseite schwierig, wenn nicht unmöglich. Es bleibt dann die Möglichkeit, die inneren Eintiefungen ebenfalls von außen her zu erzeugen. Ein entsprechendes Verfahren wird weiter unten beschrieben.

Die Struktur der Kapillaren kann je nach den Bedürfnissen, sowohl in Umfangsrichtung des Einsatzes, als auch in dessen Längsrichtung gesehen, verschieden sein, d. h., es können Kapillaren verschiedener Form und Länge miteinander abwechseln.

Maßgeblich für die Gestaltung der Kapillarstruktur im einzelnen ist zum Beispiel, ob die Wärmeröhre im Schwerefeld oder im schwerkraftfreien Raum, oder sowohl im Schwerefeld als auch im schwerkraftfreien Raum, arbeiten soll.

Weitere Einflußgrößen sind die Art des Wärmeträgers und die räumliche Lage der Wärmeröhre. Für Wärmeröhren, die im Schwerefeld in senkrechter oder geneigter Lage arbeiten, dabei einen nicht zu kleinen Durchmesser aufweisen und einen Wärmeträger mit geringer Oberflächenspannung enthalten, genügt ein Einsatz mit feinen Längskapillaren einzig am untenliegenden Verdampferende, da dieses aus dem Wärmeträgerreservoir am Boden der Wärmeröhre versorgt werden muß. Der darüberliegenden Teil der Innenwandung der Wärmeröhre hingegen kann glatt bleiben, da das Kondensat von selber nach unten abfließt. Besitzt dieselbe Wärmeröhre dagegen einen kleinen Durchmesser (weniger als 10 mm) und einen Wärmeträger großer Oberflächenspannung, wie z.B. Lithium, dann ist es zweckmäßig, auch die Wandung oberhalb der Verdampferzone mit einer Kapillarstruktur zu versehen, und zwar mit groben Längskapillaren. Die feinen Kapillaren fördern dann aus dem Reservoir Wärmeträgerkondensat gegen die Schwerkraft in die Verdampferzone, die groben Kapillaren bewirken den Kondensatrücktransport aus dem oberen Teil der Wärmeröhre zur Verdampferzone.

Soll jedoch umgekehrt die Wärmeröhre in der horizontalen oder annähernd horizontalen Lage arbeiten, sind es nunmehr die Kapillaren, die als Querrillen auf der Außenseite, und die Eintiefungen an der Innenseite, die als Längsrillen auszubilden sind. Die Funktionen der Längs- und Querrillen sind also gegenüber den oben beschriebenen Fällen miteinander vertauscht. Der Kondensatrückfiuß kann, falls nötig, durch eine oder mehrere Längsrillen an der Außenseite des Einsatzes (Nähe Rohrsohle) oder durch Spaltbildung unterstützt werden.

Für Wärmeröhren im schwerkraftfreien Raum genügen Kapillarstruktureinsätze mit groben Kapillaren, die sich über die ganze Länge der Röhren erstrecken. Die Kapillaren haben in diesem Falle nur die Benetzung der Röhre mit Kondensat und den Kondensattransport zum Verdampferende zu bewerkstelligen; zwar nicht gegen die Schwerkraft, aber gegen den Reibungswiderstand in den Kapillaren, und gegen den Druckabfall entlang der Dampfströmung. Sie können daher durchwegs gröber, d.h. breiter, als im Schwerefall ausgeführt werden. Für Anwendungen der Wärmeröhre sowohl im schwerkraftfreien Raum als auch im Schwerefeld kommen Einsätze in Frage, die im Prinzip über die ganze Röhrenlänge geführte grobe Kapillaren und dazwischen, in der Verdampferzone, kürzere feine Kapillaren besitzen. In Umfangsrichtung gesehen folgt also in der Verdampferzone jeweils auf eine Gruppe feiner Kapillaren eine grobe Kapillare. Kapillareinsätze dieser Art haben Interesse für Kernreaktoren in Raumfahrzeugen, die zunächst auf der Erde getestet, dann aber im Weltraum betrieben werden.
Die aus dem Ausgangsrohr erfindungsgemäß erzeugte Kapillarstniktur bildet ein zusammenhängendes Ganzes, ein steifes Gerippe, das mit knappem Spiel in die jeweilige Wärmeröhre eingesetzt wird. Die Wärmeröhre wird daraufhin, und nach Einfüllen

ίο des erforderlichen Quantums an Wärmeträger, stirnseitig verschlossen. Als Ausgangsmaterial für die Einsätze verwendet man im Falle kerntechnischer Anwendungen der Wärmeröhre z.B. Niobium. Der große Vorteil der neuen Kapillarstruktur gegenüber den eingangs erwähnten Einsätzen besteht in der kontrollierten Herstellung der Kapillaren, sowie darin, daß man die Stabilität der Struktur beherrscht.

Der neue Typ des Kapillarstruktureinsatzes, wie auch ein Verfahren zur Herstellung desselben, seien nunmehr an Hand der Schemazeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ausschnittsweise einen zylindrischen Kapillarstruktureinsatz mit feinen rechteckigen Längskapillaren an der Außenseite und mit breiten rechteckigen in Umfangsrichtung verlaufenden Eintiefungen an der Innenseite, in perspektivischer Ansicht,

F i g. 2 bis 5 Wärmeröhren mit verschiedenen Kapillarstrukturen,

F i g. 6 die erste Stufe eines Verfahrens zur Herstellung von Kapillarstruktureinsätzen aus Rohren mit Längsrillen an der Außenseite als Kapillaren und querverlaufenden Eintiefungen an der Innenseite, wobei Längsrillen und Eintiefungen von der Rohraußenseite her eingearbeitet werden,

F i g. 7 das Ausgangsrohr nach F i g. 6 mit einem eingeführten Profilierungsdorn während der — indirekten — Anformung der Eintiefungen (2. Verfahrensstufe),
F i g. 8 das bearbeitete Ausgangsrohr nach F i g. 7 mit dem Profilierungsdorn während der Abarbeitung auf konstanten Außendurchmesser (3. Verfahrensstufe),

F i g. 9 das abgearbeitete Ausgangsrohr nach F i g. 8 mit dem Profilierungsdorn während der Anbringung der Kapillarrillen,

F i g. 10 den fertigen Kapillarstruktureinsatz ohne Dorn im Längsschnitt und

Fig. 11 und 12 Radialschnitte durch den Einsatz nach F i g. 10 entlang der Linien XI-XI und XII-XII.

In F i g. 1 ist der neue Kapillarstruktureinsatz aus einem rohrförmigen Grundkörper 1 gebildet, an dessen Außenseite in Achsrichtung entlang paralleler Mantellinien feine rechteckige Kapillarrillen 2 eingefräst sind. Diese Kanäle kreuzen sich an der Rohrinnenseite mit den von der Innenseite her in den Grundkörper eingedrehten zirkulären Eintiefungen 3, die ebenfalls weitgehend rechteckigen Querschnitt besitzen. In den Kreuzungsbereichen entstehen Durchbrüche 4 durch die Kapillarrillen und Eintiefungen miteinander kommunizieren. Die Längskapillaren haben eine Breite von etwa 0,1 und eine Tiefe von 0,5 mm, bei einem Rohraußendurchmesser von 10 und einem Rohrinnendurchmesser von 8 mm. Die Eintiefungen 3 haben eine Breite von etwa 2 und eine Tiefe von ebenfalls 0,5 mm. Auf 3 cm Rohrlänge entfallen etwa zehn Querkanäle.

Ein zu F i g. 1 inverses System wäre ein solches, bei dem die Querrillen als Kapillarrillen außen und

die Eintiefungen in Längsrichtung innen liegen würden.

Wie bereits oben erwähnt, lassen sich für vertikalen Betrieb im wesenltichen vier Grundtypen von Kapillarstrukturen aufstellen, je nach den gegebenen Betriebsverhältnissen. Die F i g. 2 zeigt den Fall der senkrecht im Schwerefeld arbeitenden Wärmeröhre normalen Durchmessers. Ihr Kapillarstruktureinsatz 5 erstreckt sich nur über die Verdampferzone

einer Struktur vom Typ der F i g. 1 beziehen, bezeichnet 10 das Ausgangsrohr, aus welchem die Kapillarstruktur hergestellt werden soll, 11 einen Profilierungsdorn und 12 dessen Umfangsnuten. Für den 5 Dorn nimmt man Material, das sich im Gegensatz zum Ausgangsrohr chemisch auflösen läßt, z.B. einen Messingdorn, bei einem Niobrohr.

Zusätzlich sind eingezeichnet: in Fig.7 eine Prägerolle 13, in F i g. 8 ein Drehstahl 14 und in

der Röhre, und weist ausschließlich feine Kapilla- io F i g. 9 ein Scheibenfräser 15. Weitere Einzelheiten

ren 6 auf. Oberhalb der Verdampferzone bleibt die seien nun näher erläutert. Als Ausgangsrohr für den

Rohrwand glatt. Kapillarstruktureinsatz sei — wie erwähnt — ein

Demgegenüber ist bei der Wärmeröhre nach Niobrohr gewählt, wobei dessen Außendurchmesser

F i g. 3 über dem Einsatz 7 der Verdampferzone mit etwas größer als der Innendurchmesser der zugehöri-

feinen Kapillaren noch ein Einsatz 8 mit groben Ka- 15 gen Wärmeröhre ist. Bei einer Wärmeröhre mit

pillaren in die Röhre eingesetzt. Dieses System eignet 10 mm Außendurchmesser und 9 mm Innendurch-

sich — wie erwähnt — für Wärmeröhren im Schwe- messer kommt ein Ausgangsrohr von 10 mm Außen-

refeld, die besonders eng sind und einen Wärmeträ- durchmesser und 8 mm Innendurchmesser in Frage,

ger großer Oberflächenspannung enthalten. Der Profilierungsdorn 11, von der gleichen Länge

In F i g. 4 ist ein Kapillarsystem einer im schwer- 20 wie das Ausgangsrohr, stimmt bezüglich seines größ-

kraftfreien Raum arbeitenden Wärmeröhre darge- ten Durchmessers mit dem Innendurchmesser des

stellt. Die Röhre enthält einen über die ganze Länge Ausgangsrohrs überein. Der Durchmesser am

gehenden Einsatz mit groben Kapillaren 9. Schließ- Grunde der Ringnuten ist ungefähr um den Betrag

lieh zeigt F i g. 5 eine Kapillarstruktur, die aus der der Wanddicke des Ausgangsrohrs kleiner gehalten,

Überlagerung der Strukturen nach den F i g. 2 und 4 25 mit Rücksicht auf das in der dritten Verfahrensstufe

entsteht. Die Struktur ist für einen Betrieb der War- erfolgende Abarbeiten der Wandung. Im vorliegenmeröhre sowohl im schwerkraftfreien Raum als auch
im Schwerefeld geeignet, sie kann aus einem einzigen
Rohrstück oder aus zwei Rohrstücken gefertigt werden. Eine Mehrfachdoppelstruktur von der Art nach 30
F i g. 5 würde sich in F i g. 1 so darstellen, daß reih

um z. B. auf je zehn schmale Längsrillen eine breite (grobe) Längskapillare folgen würde. Die Breite der groben Kapillare betrüge etwa die fünffache Breite einer feinen Kapillare.

Die Herstellung des Kapillarstruktureinsatzes nach F i g. 1 ist bisher so beschrieben worden, daß das Ausgangsrohr sowohl von außen als auch von innen bearbeitet wird. Mit dem nachstehend beschrie-

den Falle beträgt der Nutgrunddurchmesser des Doms 7 mm, die Wanddicke des Ausgangsrohres 1 mm.

Der Abstand der Nuten voneinander hängt von der gewünschten Steifigkeit der Kapillarstruktur ab. Im vorliegenden Falle kann man 9 mm von Nutmitte zu Nutmitte wählen. Die Nutbreite oben beträgt 4 mm, die Breite am Grund 3 mm. Der Abstand der 35 Nuten von Rand zu Rand beträgt 5 mm. Die vorstehenden Abmessungen haben sich bei Einsätzen von 15 cm Länge bewährt, passen aber auch bei größeren Längen.

In der ersten Verfahrensstufe wird gemäß F i g. 6 benen Verfahren können die Kapillaren und die Ein- 40 der Profilierungsdorn 11 festsitzend in das Ausgangstiefungen — ob für die Struktur nach F i g. 1 oder die rohr 10 eingefügt. Dabei entstehen über den Uminverse Struktur — allein von außen her erzeugt wer- f angsnuten 12 Hohlräume, die in der zweiten Verf ahden. Daher eignet sich das Verfahren besonders zur rensstufe gemäß F i g. 7 mit Rohrwand ausgefüllt Herstellung von Einsätzen für lange und enge War- werden, d. h., mit der Prägerolle 13 werden die meröhren. Es ist gekennzeichnet durch folgende 45 Rohrbereiche über den Umfangsnuten nacheinander Schritte: in die Nuten eingeformt. Auf diese Weise werden die

für die Steifigkeit des Einsatzes erforderlichen Quer-

das Ausgangsrohr wird auf einen zylindrischen gurte — das sind die eingeformten Wände — gebil-Dorn (Profilierungsdorn) aufgebracht, welcher det. Zugleich entstehen hierdurch links und rechts eine Folge (im Falle der Struktur nach F i g. 1 50 von den eingeformten Wänden, von innen her gesezirkularer) Nuten von solcher Tiefe aufweist, hen, Eintiefungen, die mit den Kapillarrillen kommudaß die in die Nuten eingeformte Rohrwand
über die Nutenränder übersteht;
die Rohrbereiche über den Nuten werden in
die Nuten eingeformt;
die nichteingeformten Rohrbereiche
mindestens bis auf den Außendurchmesser der
eingeformten Bereiche abgearbeitet;
durch spanabhebende Bearbeitung (im Falle

nizieren sollen. Hierzu wird zunächst in der dritten Verfahrensstufe gemäß F i g. 8 das profilierte Ausgangsrohr im Außendurchmesser mittels Drehstahl 55 14 auf den Innendurchmesser der Wärmeröhre abgewerden dreht. Dabei verschwinden die überstehenden Wandpartien, so daß das Rohr durchgehend glatt wird.

Dann werden gemäß F i g. 9 die Kapillarrillen in Achsrichtung in das Ausgangsrohr eingefräst. Dies

der Struktur nach F i g. 1 durch Fräsen entlang 60 geschieht mittels des Scheibenfräsers 15, der nachparalleler Mantellinien) werden die Kapillar- einander auf parallel Mantellinien entlang des Ausrillen erzeugt, derart, daß in den eingeformten gangsrohres geführt wird (vgl. auch Fig. 11 und 12). Rohrbereichen Rillen, in den nichteingeform- Der Fräser schneidet dabei in den Profilierungsdorn ten Bereichen Schlitze entstehen, und ein, wie F i g. 9 deutlich zeigt. Dadurch entstehen in

der Dorn wird, vorzugsweise chemisch, ent- 65 den nutfreien Rohrabschnitten durchgehende Schlitze fernt. — vgl. in F i g. 10 das Bezugszeichen 17. Dabei bleiben die Quergurte 19 als Versteifungsrippen stehen. In den F i g. 6 bis 10, die sich auf die Herstellung Sie hängen nahtlos zusammen mit den die Kapillaren

zwischen sich einschließenden Längsstegen 20. Kapillarstruktur und Profilierungsdorn werden schließlich in der fünften Verfahrensstufe chemisch — Auflösen des Domes in Salpetersäure ^;— voneinander getrennt. Zurück bleibt der fertige Einsatz. In F i g. 10 blickt man gegen die innere Wölbung des Einsatzes. Die Figur ist, ebenso wie F i g. 9, gegenüber den vorausgehenden Figuren vergrößert dargestellt, um Einzelheiten deutlicher sichtbar zu machen.

In den in Fig. 10 bezeichneten Querschnitten der Fig. 11 und 12 erkennt man deutlich die erwähnten Schlitze 17 und Kapillarrillen 18 der Kapillarstruktur sowie einen Quergurt 19 und die Längsstege 20.

Im Falle der Herstellung einer zu F i g. 1 inversen Struktur, d. h. einer Struktur mit außenliegenden

Ringrillen als Kapillaren und mit längsverlaufenden inneren Eintiefungen, wäre der Profilierungsdorn entsprechend mit Längsnuten auszustatten. Am Prinzip des beschriebenen Verfahrens würde sich dadurch nichts ändern.

Der neue Kapillarstruktureinsatz wurde verschiedentlich mit Erfolg erprobt. Eine aus einem Niobiumrohr von 9 mm Durchmesser und 150 mm Länge hergestellte Kapillarstruktur mit 60 Kapillaren von 0,1 mm Breite und 0,5 mm Tiefe wurde in einer Niobiumwärmeröhre, mit Silber als Wärmeträger, während etwa 15 Std. zehnmal hintereinander einer thermischen Wechselbelastung zwischen 1570 und 150° C ausgesetzt, und zwanzigmal einer Wechselbelastung zwischen 1570 und 500° C. Die Wärmeröhre zeigte keinerlei Nachlassen ihrer Betriebsqualität.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

209 585/127

Claims

Patentansprüche:

1. Kapillarstruktureinsatz für Wärmeröhren, bestehend aus einem der inneren Oberfläche der Wärmeröhre angepaßten hohlen, einstückigen, mindestens einseitig offenen metallischen Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) Kapillarrillen (2) in der Außenfläche und quer dazu verlaufende Eintiefungen (3) in der Innenfläche aufweist, und die Tiefe der Kapillarrillen und Eintiefungen so gewählt ist, daß sie als offene Durchbrüche (4) ineinander übergehen.

2. Kapillarstruktureinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) eine Kombination von feinen (7) und groben (8) Kapillarrillen, wechselnd in Umfangsrichtung (F i g. 5), überlagert oder gestaffelt (F i g. 3) in Längsrichtung, aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Kapillarstruktureinsatzes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsrohr (10) auf einen zylindrischen, eine Folge von Umfangsnuten (12) geringerer Tiefe als die Wandstärke des Ausgangsrohres (10) aufweisenden Profilierungsdorn (11) aufgebracht wird, daß die Rohrbereiche über den Umfangsnuten als Vertiefungen der Rohraußenwand eingeformt werden, anschließend die Rohraußenwand bis mindestens auf den Außendurchmesser der in die Umfangsnuten eingeformten Bereiche abgearbeitet wird und durch spanabhebende Bearbeitung der Kapillarrillen erzeugt werden, derart, daß in den eingeformten Rohrbereichen Rillen, in den nicht eingeformten Rohrbereichen schlitzförmige offene Durchbrüche entstehen, worauf der Dorn entfernt wird.