DE1751890C3 - Vorrichtung zur Verdampfungskühlung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung z.ur Verdampfungskühlung von metallischen Körpern, bei der mindestens an einem Teil der zu kühlenden Körperoberfläche eine Faserstoffschicht dicht anlicgi. die aus einzelnen Garnfäden locker gewebt oder gewirkt ist. so daß zwischen den die Faserstoffschicht bildenden Garnfäden durchgehende Konvektionspfade /.um Abführen des Dampfes von dem Körper gebildet sind, welche sich von der zi. kühlenden Oberfläche durch die Faserstoffschieht hindurcherstrecken.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 30 66 499 bekannt. Gemäß dieser Druckschrift wird selektiv ein elektronisches Bauteil verdampfungsgekühlt; man schlägt dort das Dochtprinzip vor, weil das ;r.it dem Bauteil bestückte Gerät erheblichen Lagcäi'iuci'üügen unterworfen werden muß: üblicherweise war man nämlich bestrebt, das gesamte zu kühlende Bauteil in die zu verdampfende Flüssigkeit einzutauchen.

Bekannilieh läßt sich durch Verdampfungskühlung eine erhebliche Wärmemenge von dem zu kühlenden ^ft5 Körper abführen. Dabei müssen die sich an der Berührungsfläche bildenden Dampfblasen schnei abgeführt und durch Flüssigkeit ersetzt werden, weil sonst an dieser Stelle die Wärmeabfuhr stark sinken würde. Andererseits darf die Dampfabfuhr das Nachströmen der Flüssigkeit nicht stören. Im Idealfall entstehen auf der zu kühlenden Oberfläche zahlreiche kleinste Dampfbläschen, die sofort abgelöst und durch nachströmende Flüssigkeit ersetzt werden. Die bisher bekannten Vorrichtungen ließen diesen Idealfall noch nicht voll erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Vorrichtung zur Verdampfungskühlung zu schaffen, die diesem Idealfall möglichst nahe kommt. Zur Lösung der Aufgabe wird die Kombination gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen.

Man erkennt, daß hier das obenerwähnte Dochtprinzip auf einen zu kühlenden Körper angewandt wird, der selbst in die Kühlflüssigkeit eingetaucht ist. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Eintauch-Verdampfungskühlung wesentlich dem Idealfall zu nähern gestattet. Die Faserstoffschicht unterbricht eine sich etwa auf dem zu kühlenden Körper .,abreitende Dampfschicht, während die Flüssigkeit nicht einfach auf Grund der Gravitation nachfließt, sondern durch Kapillarkräfte herangeführt wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung gegenüber der cinfacnen Eimauch-Kühlung besteht noch darin, daß der Flüssigkeitspegel in dem Behälter mit nicht so hoher Genauigkeit kontrolliert zu werden braucht, als wenn die Faserstoffschicht nicht vorhanden wäre.

Es ist an sich bekannt, die Kapillarwirkung zum Heranführen von Kühlflüssigkeit an einen zu kühlenden Körper auszunutzen. Dies gilt sowohl für die obenerwähnte US-PS 30 66 499 wie auch für das sogenannte »Wärmerohr«, referiert in der Zeitschrift Chemie-Ing.-Techn., 1967, S. 21 bis 26. Bei einem solchen Wärmerohr zirkuliert Flüssigkeit in einem Rohr, dessen eines Ende beheizt wird — etwa durch einen zu kühlenden Körper —, während das andere Ende gekühlt wird. Die Besonderheit eines solchen Wärmerohrs besteht d:irin, daß die Innenwandungen mit einer kapillaren Dochtstruktur bedeckt sind, welche mit der Wärmetransportflüssigkeit gesättigt ist. Das gesamte Wärmerohr verhält sich dann wie ein metallischer Körper mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit.

Vorzugsweise ist der Garnfaden bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung Metall mit geringerer thermischer Leitfähigkeit als der z.u kühlende Metallkörper, und man sorgt dafür, daß das Garnfadenmetall in der elektrochemischen Spannungsreihe nicht z.u weit von dem Metall des zu kühlenden Körpers entfernt liegt; auf den letztgenannten Gesichtspunkt ist bereits in anderem Zusammenhang in der US-PS 8 01489 hingewiesen worden.

Weitere bevorzugte Merkmale des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Untcransprüchcn.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt halbschematisch in Seitenansicht eine Verdampfungskühlvorrichtung, deren Komponenten teilweise weggebrochen dargestellt sind, um den Innenaufbau zu verdeutlichen;

F i g. 2 zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus der Faserstoffschichi;

F i g. i zeigt ausschnittweise und schematisiert einen Längsschnitt durch einen beheizten, gemäß der Erfindung,, verdampftmgsgekühlien Körper, und

F-" i g. 4 zeigt als Diagramm die sogenannte Nukiyama-Kurve im Vergleich mit einer Charakteristik, wie

man sie bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erzielt.

in F ι g. 1 ibt ciiic Vciuüiiipfuiigsxühivomcinung für eine Elektronenröhre IO mit Außenanode 12 als zu kühlenden Körpei- gezeigt. Die zylindrische Anode 12 ist mit einer Faserstoffschicht versehen und abgedichtet mittels einer O-Ring-Dichtung in einem Verdampfungsbehäiier eingesetzt. Der Verdampfungsbehälter ist bis zu einem Pegel 16. nahe dem oberen Ende der Anode, mit einer Flüssigkeit gefüllt, die eine große latente Verdampfangswärme besitzt, beispielsweise mit destilliertem Wasser. Die Anode 12 ist demgemäß zum großen Teil innerhalb des Behälters 14 in Wasser getaucht, das Sockelende 18 der Röhre befindet sich jedoch außerhalb, so daß die elektrischen Anschlüsse vorgesehen sein können.

Eine Dampfabführleiiurig 20 verbindet den oberen Abschnitt des Behälters 14 an dem Auslaß 22 mit dem Kondensator 24. Ein dielektrisches Zwischenstück 26 isoliert den Kondensator von dem Behälter, der während des Betriebes der Röhre das Potential der Anode 12 annimmt. Eine Wasserrücklauflcitung 28. versehen mit einem elektrischer. Isolierstück 30 und einer Entlüftung 32. verbindet den Kondensator 24 mit dem unteren Abschnitt des Behälters 14 und vervollständigt damit den Flüssigkehs-Danipf-Kreislauf.

Die Vorrichtung umfaßt außerdem eine relativ komplizierte Einrichtung um den Wasserpegel 16 in dem Behälter 14 während des Betriebes relativ konstant zu halten. Diese Einrichtung umfaßt ein Steuergefäß 34 mit einer Leitung .36, welche den unteren Abschnitt des Steuergefäßes mit dem des Behälters 14 verbindet. Eine Druckausgleichsleitung 38 kleinen Durchmessers verbindet den oberen Abschnitt des Steuergefäßes 34 mit der Dampfabfiilirlei'.ing 20. Das Steuergefäß ist ferner rr.ii einer Überlauf leitung 40 versehen sowie mit einem Hiifswasserreservoir 42. Das Reservoir, das mit di-m Steuergefäß über eine Leitung 44 mit einem Ventil V verbunden ist, dient dem Ersatz von Wasser, das langsam aus dem System durch die Entlüftung 32 entweicht.

Wenn die Röhre 10 in Betrieb ist, beginnt die Anode 12 sehr schnell sich zu erwärmen. Wasser in der Nähe der Anode wird verdampft und führt etwa 540 Kalorien pro Gramm Wasser von der Anode ab. Dampfblasen steigen zur Oberfläche 16, wo sie frei in die Luft entweichen, und erzeugen dabei eine erhebliche Wasserturbulenz. Der Wasserdampf tritt dann aus dem Behälter 14 durch den Auslaß 22 aus und steigt durch die Dampfabführleiuing 20 zum Kondensator 24, wo die Wärme abgegeben wird und der Dampf wieder /11 Wasser kondensiert. Von dort kehrt das kondensierte Wasser durch die Schwerkraft wieder in den Behälter 14 über die Rücklaufleitung 28 zurück.

Das .Steuergefäß 34 mit seinen angeschlossenen Teilen und Verbindungslcitungen dient dazu, Veranden;;"!- gen des Pegels im Behälter 14 auszugleichen.

Die Außenanode der Röhre ist von einer Faserstoffschicht dicht umschlossen, die von einem dünnen perforierten Metallgürtel gehalten ist.

I i g. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der ^⁰ Easersioffschicht. nämlich ein gewirktes Gewebe. Das Gewebe besteht aus rostfreien Stahlfasern, die /11 Fasern mit Durchmessern zwischen 0.04 und 0,45 mm ge spönnen sind. Die Fäden sind ihrerseits zu dem Gewebe gewirkt, wobei die Maschen eine Querabmessung ^6s von 0.06 bis 0.65 mm aufweisen. Die sehr kleinen Abstände zwischen den Slahlfasern selbst bilden die Kanillaren. während die Maschen als Dampfpfade diesen.

Da das Gewebe flexibel ist, kann es gedehnt werden und dicht über die zylindrische Anode — oder, in einem anderen Anwendungsfuil. über einen Kernbrcnüstofi stab — geschoben werden. Das Gewebe kann auch bei einer mit Kühlblechen versehenen Anode angebracht werden, in welchem Falle ein Käfig darüber geschoben werden muß, der in die Lücken zwischen den einzelnen Kühlblechen ragende Drahte aufweist, um das Gewebe dicht gegen die gesamte Oberfläche zu halten, die durch die Verdampfung zu kühlen ist.

Auch Gewebe aus anderen Fasermetallen kann verwendet werden. Das ausgewählte Material sollte jedoch eine geringere thermische Leitfähigkeit haben als die zu kühlende Oberfläche. Darüber hinaus sollte das Faserstoffmetall in der elektrochemischen Spannungsreihe positiv bezüglich des zu kühlenden Metallkörpers sein, um zu verhindern, daß die gekühlie Oberfläche sich langsam infolge Elektrolyse /ersetzt. Das Spannungsdifferential zwischen dem Faserstoffmeiall und der zu kühlenden Oberfläche sollte nicht größer als 2,2 Volt in eingetauchtem Zustand sein, damit die Lebensdauer des Gewebes nicht zu gering ist. Die einzelnen gesponnenen Fäden können entweder gewirkt oder gewebt werden, um das Gewebe herzustellen. Zwar können verschiedene Lagen von Gewebe mit Vorteil verwendet werden, doch wird eine einzige Lage von Gewebe bevorzugt, um sowohl lange stark gewundene Kapillarpfade zu vermeiden als auch die Dampfausiriitswegc so kurz wie möglich zu halten.

Die Verdampfungskühlvorrichtung hai /u einer verbleibenden Erhöhung der mittleren Wärmeabfuhr pro Oberflächeneinheit in der Größenordnung von mehr als 400% gegenüber normaler Eintauchkühlung geführt. Es wurden stabile Leistungsabfuhrwerte von 200 Watt/cm- Anodenfläche und mehr erzielt.

Die Faserstoffschicht wird in innigem Koniakt mit der zu kühlenden Oberfläche gehalten. Dies kann in verschiedenster Weise bewirkt werden. /.. B. durch Drähte oder durch eine formangepaßte Ausbildung der Faserstoff schicht.

Die F i g. 3 zeigt im Schnitt einen Abschnitt einer Außenanode 12 mit einer Oberfläche 62, an der eine Faserstoffschichi 64 aus Garnfäden anliegt zur Ausbildung eines Dainpfpfades zwischen den Garnfäden von der Anodenoberfläche 62 zu einem flüssigen Kühlmittel 68. Die Darstellung zeigt in dynamischer Form die aktive Verdampfungskühlung. Die Oberfläche 16 des Kühlmediums ist demgemäß im Zustand der Turbulenz gezeigt. Dampfblasen 72 treten zwischen den Garnfüden aus und steigen zur Oberfläche 16. Die Pfeile 74 deuten den Nachfluß von flüssigem Kühlmedium innerhalb der Faserstoffschicht 64 an. Die Flüssigkeit wird in den Kapillarpfaden zwischen den F.inzeltasern der Garnfäden an die Anodenoberfläche herangeführt. Es ist zu bemerken, daß diese Pfeile im wesentlichen unterhalb der Küliimediumoberflachc 16 in Richtung senkrecht zur Anodenoberfläche 62 angeordnet sind. Die Pfeile gerade unterhalb eier, Kuhlmediumober fläche 16 besitzen dagegen auch vertikale Komponenten. Dies folgt aus der normalen Kapillaranziehiing wie in einem gewöhnlichen Docht. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Kühlmedium sowohl zu den Abschnitten der \nodenoberfläche 62 oberhalb als auch unterhalb der Kühlmediumoberfläche 16 fließt. Im Ergebnis führt ein Fluktuieren des Kühlmediumspiegels nicht dazu, daß Teile der Anodenoberfläche 62 nahe dem Kühlmediumspicgel außer Kühlung geraten können. Damit wird wesentlich die Gefahr der Ausbildung eines »heißen Flek-

kcs« in diesem Bereich des schwankenden Kiihlmediumspiegels herabgesetzt.

In F i g. 4 ist graphisch die Leistungsabfuhr pro F-liicheneinheit einer Oberfläche, die auf einer Seite einer Wärmequelle und auf der anderen Seite einer Flüssigkeit bei deren Verdampfungspunkt ausgesetzt ist, über der Temperatur dieser Oberfläche aufgetragen. Die sich ergebende und mit »Λ« bezeichnete Kurve ist als Nukiyama-Kurve bekannt. Sie zeigt, daß eine Oberflächenteniperatur von etwa 125' C bei normalem Aimosphärendruck eine Leistungsabfuhr von etwa ί 35 Watt/cm² erlaubt. Nach diesem Punkt ergibt sich jedoch kein weiterer Anstieg der Leistungsabfuhr, bis die Oberflächentemperatur etwa 1100⁰C erreicht. Im Gegenteil ist in diesem Bereich sogar ein scharfer Abfall der Wärmeabfuhr zu beobachten. Bei 1100⁰C sind aber die meisten Geräte, die verdampfungsgekühlt werden.

bereits weitgehend überheizt und zerstört. Infolgedcs sen nahm man bisher an, daß 135 Watt/cm^: eine end gültige Grenze für die Verdampfungskühlung voi Oberflächenabschnitten darstellt, die in statische Flüs sigkeiten bei normalem Atmosphärendruck ohne Überhitzung eingetaucht werden konnten. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist jedoch durch die mit »ß« ge kennzeichnete Kurve charakterisiert. Aus dieser Kurvt kann man entnehmen, daß ein Wert von 200 Watt/cm

ίο bei einer Oberflächentemperatur von nur 108'C vorliegt. Die sich ergebende Verbesserung der Leistungs abfuhr bei Betriebstemperaturen bringt damit einen erheblichen Fortschritt für die Technik der Verdamp fungskühlung mit sich. Der Spitzenleistungswert um

>5 die zugehörige Oberflächentemperatur, bei der dk Funktion sich umkehrt, ist bis jetzt durch Messung nocl nicht gefunden worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verdampfungskühlung von metallischen Körpern, bei der mindestens an einem Teil der zu kühlenden Körperoberfläche eine Faserstoffschicht dicht anliegt, die aus einzelnen Garnfäden locker gewebt oder gewirkt ist. so daß zwischen den die Faserstoffschicht bildenden Garnfäden durchgehende Konvektionspfade zum Abführen des Dampfes von dem Körper gebildet sind, welche sich von der zu kühlenden Oberfläche durch die Faserstoffschicht hindurcherstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß der einzelne Garnfaden aus einer Vielzahl von metallischen Einzelfasern aufgebaut ist. so daß zwischen den Einzelfasern der Garnfäden Kapillarpfade zum Heranführen der Flüssigkeit an den zu kühlenden Körper (!2) gebildet sind, der samt der Faserstoffschicht im wesentlichen vollständig in die in einem Behälter befindliche Flüssigkeit eingetaucht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch t. dadurch gekennzeichnet, daß der Garnfaden Metall mit geringerer thermischer Leitfähigkeit als der zu kühlende Körper (12) aufweist.

J. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Garnfaden aus rostfreien Stahlfasern besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser-Stoffschicht (64) aus einer einzigen Lage- eines Gewirkes oder Gewebes besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Garn ein Metall verwende; wird, das in der elektrochemischen .Spannungsreihe von dem Metall des zu kühlenden Körpers um weniger als 2.2 Volt entlernt liegt.

6. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Kühlung der außenliegenden Anode einer Elektronenröhre.