DE202006019275U1

DE202006019275U1 - Wärmerohr

Info

Publication number: DE202006019275U1
Application number: DE200620019275
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2016-12-22

Abstract

Wärmerohr umfassend ein dichtes Außen- und ein poröses Innenrohr an den Enden durch glatte oder gewölbte Kappen geschlossen und mit diesem verbundene eine Mehrzahl von Innen- und/oder Außenrippen, wobei das Außenrohr und die Rippen des Außenrohrs aus Siliciumcarbid- oder kohlenstofffaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik und oder anderen keramischen Werkstoffen besteht und das Innenrohr aus poröser Siliciumcarbid-Keramik, anderen porösen keramischen Werkstoffen oder porösem Kohlenstoff besteht und das in dem unter Vakuum stehenden geschlossenen Rohr sich eine Füllung aus Silber, Lithium, Natrium, Quecksilber, Caesium, Kalium oder anderer der Anwendungstemperatur angepassten und zur Verdampfung geeigneter Stoff befindet und das die eine Seite des Wärmerohres in einen Kanal oder ein Rohr mit einem heißen Medium und die andere Seite in einen Kanal oder ein Rohr mit einem kalten Medium hineinragt, wobei die beiden Kanäle oder Rohre einschließlich der beiden Wärmerohrenden durch Dichtungselemente voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr – oder engl. Heat Pipe genannt, das für hohe Temperaturen ausgelegt und gegen abrasive und chemische Stoffe weitestgehend resistent ist. Aus diesem Grunde bestehen alle Teile des Wärmerohrs aus Werkstoffen, die diesen Ansprüchen gerecht werden. In erster Linie sind das keramische Werkstoffe und Kohlenstoff in der Innen- und Außenhaut des Wärmerohrs, sowie einer Füllung, im unter Vakuum stehenden Rohr, aus einem Medium, das auf der warmen Seite des Rohres verdampft und auf der kalten kondensiert. Die Wahl der Füllung (Arbeitsmittel) richtet sich nach dem Temperaturbereich, in dem die Wärme transferiert wird. Im Hochtemperaturbereich können das folgende Stoffe sein: Silber, Lithium, Natrium, Quecksilber, Caesium oder Kalium.
Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr, welches ein Rohr aufweist, das auf der Innenseite mit einer porösen Schicht versehen ist und an den Enden verschlossen ist. Wärmerohre der genannten Art werden zur Wärmeübertragung zwischen zwei meist strömenden Medien eingesetzt, die jedoch durch eine Wand getrennt sind, sich also in zwei voneinander getrennten Rohren oder Kanälen befinden. Das Wärmerohr befindet sich dann zur einen Hälfte in dem warmen Medium und zur anderen in dem kalten Medium. Das im Inneren des Rohres befindliche Arbeitsmittel verdampft auf der warmen Seite und kondensiert auf der kalten. Dabei wird die Wärme vom warmen äußeren Medium auf das kalte äußere Medium transferiert. Das Kondensat läuft durch die Kapillare der porösen Innenschicht wieder zum Verdampfungsteil zurück. Dabei können außen am Rohr angebrachte quer zur Rohrachse liegende Außenrippen zur Vergrößerung der Oberfläche des Wärmerohrs führen. Zusätzlich können die Rippen Profilierungen durch Wellen oder Noppen erhalten, so dass der Wärmeübergang durch Erzeugung von Turbulenz verbessert wird. Es kann aber auch sein, dass beide oder nur eine Seite des Rohes berippt sind. Bei der Überströmung gasförmiger Medien wird man in der Regel diesen Teil des Rohres mit Rippen versehen. Bei flüssigen Medien erhält dieser Teil in der Regel keine Rippen. Das poröse Innenrohr kann ebenfalls Rippen erhalten. Durch den Wärmeübergang zwischen dem ersten und dem zweiten Medium kann beispielsweise die Wärme eines bei Verbrennungen erzeugten Rauchgasstromes genutzt und auf das zweite Medium übertragen werden. Auf diese Weise wird die Energie, die normalerweise als Abgas verloren geht, nutzbar gemacht.
Aus der DE 199 33 426 A1 ist ein Wärmetauschermodul zur Durchleitung zweier voneinander getrennter Medien im Kreuzstrom oder im Gegenstrom bekannt. Dieses weist eine Anzahl von aufeinander gestapelten Formteilen auf, wobei jedes der Formteile angeformte Rippen aufweist, welche zusammen mit den benachbarten Formteilen Strömungskanäle bildet. Ein Modul wird aus mehreren einzeln hergestellten Formteilen nach dem Trocknen zusammengesetzt und anschließend gebrannt. Dabei werden die zunächst einzelnen Formteile zu einem keramischen Modul miteinander verbunden, wobei ein fugenloser Monolith entsteht.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher als Heat Pipe vorzuschlagen, welcher ein geringes spezifisches Gewicht, große Wärmeleitfähigkeit und Härte aufweist, einfach und kostengünstig herzustellen ist, sowie hohe Temperatur-, Abriebs- und chemische Beständigkeit aufweist. Vor allem soll mit dieser Erfindung der Einsatz im Hochdruck- und Hochtemperaturbereich ermöglicht werden.

1: Wärmerohr zweiseitig mit glatten festen Außenrippen
2: Wärmerohr einseitig mit glatten festen Außenrippen
3: Wärmerohr ohne Außenrippen
4: Wärmerohr, eine Seite mit festen Außenrippen, die andere Seite mit aufgeschobenen Außenrippen
5: Außenrohr
6: Poröses Innenrohr ohne Rippen
7: Poröses Innenrohr mit dreieckigen Rippen
8: Dreieckige Rippen
9: Poröses Innenrohr mit trapezförmigen Rippen
10: Trapezförmige Rippen
11: Poröses Innenrohr mit geraden Einschnitten
12: Gerade Einschnitte
13: Poröses Innenrohr mit Wellen
14: Wellen des Innenrohres
15: Gewölbter Boden
16: Gewölbter Boden mit Bohrung
17: Gewölbter Boden mit Vakuumstutzen
18: Vakuumstutzen
19: Zentrale Bohrung
20: Hinterdrehung
21: Ventilkegel
22: Ventildeckel
23: Ventilsitz
24: Ventilschaft
25: Verschlussdeckel
26: Lotzusatz
27: Keramik-Lotnaht
28: Glatte feste Außenrippen
29: Konussitz
30: Aufgeschobene Außenrippe mit Konussitz
31: Konus
32: Sicherungsnocke
33: Viereckige Außenrippe
34: Runde Außenrippe
35: Ovale Außenrippe
36: Sechseckige Außenrippe
37: Runde Noppen
38: Eckige Noppen
39: Wellen
40: Düsenlöcher
41: Schräge Leitrippen
42: Mittige Bohrung
43: Abstandhalter
44: Füllung (Arbeitsmittel)
45: Gegenflansch
46: Keramikflansch mit Feder
47: Flanschring
48: Bolzen mit Mutter
49: Feder
50: Nut
51: Dichtung
52: Stahl-Schweißnaht
53: Rohr- oder Kanalwand
54: Stahlflansch mit Nut
A: Strömung im Heizmedium
B: Strömung im Kühlmedium
C: Dampfströmung des Arbeitsmittels
D: Kondensatströmung des Arbeitsmittels

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellt.
1 zeigt ein Wärmerohr, zweiseitig mit glatten festen Außenrippen und Kanalabdichtung durch Feder/Nut Flanschenpaar.
2 Wärmerohr, einseitig mit glatten festen Außenrippen.
3 zeigt ein Wärmerohr ohne Außenrippen mit Kanalabdichtung durch Feder/Nut Flanschenpaar.
4 zeigt ein Wärmerohr, eine Seite mit festen Außenrippen, die andere Seite mit aufgeschobenen Außenrippen.
5 zeigt ein Wärmerohr im Schnitt, das ein poröses Innenrohr ohne Rippen darstellt.
6 zeigt ein Wärmerohr im Schnitt, das ein poröses Innenrohr mit dreieckigen Rippen darstellt.
7 zeigt ein Wärmerohr im Schnitt, das ein poröses Innenrohr mit trapezförmigen Rippen darstellt.
8 zeigt ein Wärmerohr im Schnitt, das ein poröses Innenrohr mit geraden Einschnitten darstellt.
9 zeigt ein Wärmerohr im Schnitt, das ein poröses Innenrohr mit Wellen darstellt.
10 zeigt eine viereckige Außenrippe mit runden Noppen.
11 zeigt eine viereckige Außenrippe mit eckigen Noppen.
12 zeigt eine viereckige Außenrippe mit schrägen Leitrippen.
13 zeigt eine viereckige Außenrippe mit Wellen.
14 zeigt eine viereckige Außenrippe mit Düsenlöchern.
15 zeigt eine runde Außenrippe.
16 zeigt eine ovale Außenrippe.
17 zeigt eine sechseckige Außenrippe.
In 1 ist ein zweiseitig fest beripptes Wärmerohr (1) mit Außenrohr (5), dem porösen Innenrohr ohne Rippen (6), den gewölbten Böden (15), den viereckigen Außenrippen (33), dem Lotzusatz (26), einer Keramik-Lotnaht (27), der Füllung (Arbeitsmittel) (44), der Kanalabdichtung durch Feder/Nut Flanschenpaar (46) (54) mit dem Gegenflansch (45), dem Keramikflansch mit Feder (46), der Feder (49), der Nut (50), der Dichtung (51), der Stahl-Schweißnaht (52), den Bolzen mit Muttern (48) sowie die Rohr- oder Kanalwand (53), sowie den Stahlflansch mit Nut (54), im Schnitt zu sehen.
In 2 in Verbindung mit 18 ist ein einseitig beripptes Wärmerohr (2), mit dem Außenrohr (5), dem porösen Innenrohr ohne Rippen (6), dem gewölbten Boden (15), dem gewölbten Boden mit Bohrung und Vakuumstutzen (16) (17), dem Vakuumstutzen (18), der zentralen Bohrung (19), der Hinterdrehung (20), dem Ventil (21), dem Ventildeckel (22), dem Ventilsitz (23), dem Ventilschaft (24), dem Verschlussdeckel (25), dem Lotzusatz (26), einer Keramik-Lotnaht (27), den viereckigen Außenrippen (33), der Füllung (Arbeitsmittel) (44), der Kanalabdichtung durch Feder/Nut Flanschenpaar (46) (54) mit dem Gegenflansch (45), dem Keramikflansch mit Feder (46), der Feder (49), der Nut (50), der Dichtung (51), der Stahl-Schweißnaht (52), den Bolzen mit Muttern (48) sowie die Rohr- oder Kanalwand (53), und den Stahlflansch mit Nut (54), im Teilschnitt zu sehen. Außerdem sind die Strömungen im Heizmedium (A) mit der Strömung im Kühlmedium (B) sowie die Dampfströmung des Arbeitsmittels (C) und die Kondensatströmung des Arbeitsmittels (D) zu sehen.
In 3 ist ein zweiseitig unberipptes Wärmerohr (3) mit Kanalabdichtung mittels Feder/Nut Flanschenpaar (46) (54) mit dem Gegenflansch (45), dem Keramikflansch mit Feder (46), dem Stahlflansch mit Nut (55), der Feder (49), der Nut (50), der Dichtung (51), der Stahl-Schweißnaht (52), den Bolzen mit Muttern (48) sowie die Rohr- oder Kanalwand (53) dem Stahlflansch mit Nut (54), der Füllung (Arbeitsmittel) (44), zu sehen. Außerdem ist Strömungen im Heizmedium (A) mit der Strömung im Kühlmedium (B) sowie die Dampfströmung des Arbeitsmittels (C) und die Kondensatströmung des Arbeitsmittels (D) zu sehen.
In 4 ist ein Wärmerohr, eine Seite mit festen Außenrippen, die andere Seite mit aufgeschobenen Außenrippen (4) mit Konussitz (30), mit dem Außenrohr (5), dem porösen Innenrohr ohne Rippen (6), der Füllung (Arbeitsmittel) (44), den gewölbten Böden (15), den glatten festen Außenrippen (28), dem Konussitz (29), den aufgeschobenen Außenrippen mit Konussitz (30), dem Konus (31) und der Sicherungsnocke (32) sowie dem Keramikflansch mit Feder (46), dargestellt.
In 5 ist ein Wärmerohr im Schnitt, das ein Außenrohr (5) und ein poröses Innenrohr ohne Rippen (6) aufweist, dargestellt.
In 6 ist ein Wärmerohr im Schnitt, das ein Außenrohr (5) und ein poröses Innenrohr mit dreieckigen Rippen (7) und die dreieckigen Rippen (8) aufweist, dargestellt.
In 7 ist ein Wärmerohr im Schnitt, das ein Außenrohr (5) und ein poröses Innenrohr mit trapezförmigen Rippen (9) und die trapezförmige Rippen (10), aufweist, dargestellt.
In 8 ist ein Wärmerohr im Schnitt, das ein Außenrohr (5) und ein poröses Innenrohr mit geraden Einschnitten (11) und den geraden Einschnitten (12) aufweist, dargestellt.
In 9 ist ein Wärmerohr im Schnitt, das ein Außenrohr (5) und ein poröses Innenrohr mit Wellen (13) und den Wellen des Innenrohres (14) aufweist, dargestellt.
In 10 ist eine viereckige Außenrippe mit runden Noppen (37), einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 11 ist eine viereckige Außenrippe mit eckigen Noppen (38), einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 12 ist eine viereckige Außenrippe (33) mit schrägen Leitrippen (41), einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 13 ist eine viereckige Außenrippe (33) mit Wellen (39), einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 14 ist eine viereckige Außenrippe (33) mit Düsenlöchern (40), einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 15 ist eine runde Außenrippe (34) mit einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 16 ist eine ovale Außenrippe (35) mit einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.
In 17 ist eine sechseckige Außenrippe (36) mit einer mittigen Bohrung (42) und einem Abstandhalter (43) dargestellt.

Claims

Wärmerohr umfassend ein dichtes Außen- und ein poröses Innenrohr an den Enden durch glatte oder gewölbte Kappen geschlossen und mit diesem verbundene eine Mehrzahl von Innen- und/oder Außenrippen, wobei das Außenrohr und die Rippen des Außenrohrs aus Siliciumcarbid- oder kohlenstofffaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik und oder anderen keramischen Werkstoffen besteht und das Innenrohr aus poröser Siliciumcarbid-Keramik, anderen porösen keramischen Werkstoffen oder porösem Kohlenstoff besteht und das in dem unter Vakuum stehenden geschlossenen Rohr sich eine Füllung aus Silber, Lithium, Natrium, Quecksilber, Caesium, Kalium oder anderer der Anwendungstemperatur angepassten und zur Verdampfung geeigneter Stoff befindet und das die eine Seite des Wärmerohres in einen Kanal oder ein Rohr mit einem heißen Medium und die andere Seite in einen Kanal oder ein Rohr mit einem kalten Medium hineinragt, wobei die beiden Kanäle oder Rohre einschließlich der beiden Wärmerohrenden durch Dichtungselemente voneinander getrennt sind.
Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe des Außenrohrs, der Kappen, sowie mögliche Befestigungsflansche und Außenrippen und alle anderen mit dem Außenrohr verbundenen Teile Keramik-Werkstoffe wie Siliciumcarbid und Bindemittel und/oder Kohlenstoff, Papier, Holz, Phenolharz, Zellulose, Bindemittel und/oder Kohlenstofffasern und/oder Keramikfasern oder andere keramische Werkstoffe beinhalten.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr, die Kappen sowie mögliche Befestigungsflansche und Außenrippen und alle anderen mit dem Außenrohr fest verbundenen Teile aus Keramik, vorwiegend Siliciumcarbid-Keramik bestehen.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe des mit dem Außenrohr verbundenen Innenrohres ebenfalls Keramik-Werkstoffe wie Siliciumcarbid und Bindemittel und/oder Kohlenstoff, Papier, Holz, Phenolharz, Zellulose, Bindemittel und/oder Kohlenstofffasern und/oder Keramikfasern oder andere keramische Werkstoffe beinhalten.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Innenrohr aus Keramik, vorwiegend Siliciumcarbid-Keramik oder Kohlenstoff besteht.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr quer zur Rohrachse liegende Rippen aufweisen kann.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Innenrohr in Richtung längs-, spiralförmig- oder quer zur Rohrachse liegende Rippen aufweisen kann.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Endkappen einen Vakuumstutzen aufweisen kann, der mit der Endkappe eine Einheit bildet.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass, wenn beide Seiten des Außenrohrs mit Rippen versehen sind, sich zwischen diesen Rippenanordnungen ein Stück unberipptes Rohr befindet.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass auch nur eine Seite des Außenrohrs mit Rippen versehen ist.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass auch nur eine Seite des Außenrohrs mit dem Außenrohr fest verbundene Rippen aufweist und diese Rippen mit dem Außenrohr eine Einheit bilden, wobei die andere Seite des Rohres leicht konisch ausgeführt ist.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass auf den konischen Teil des Außenrohrs Rippen mit einem Innenkonus aufgeschoben werden, die mit einer verklebten oder auf dem Außenrohr verschweißten Sicherungsnocke gehalten werden.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem unberippten Teil des Außenrohres ein Befestigungsflansch befindet.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsflansch in unterschiedlichen Größen und Ausführungsformen (wie z.B. rund oder quadratisch) oder mit unterschiedlichen Dichtleisten ausgeführt werden kann.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Innenrohr mit oder ohne Rippen in Dreieck-, Trapez-, Wellenform oder mit geraden Einschnitten bzw. anderen Formen ausgeführt werden kann.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumstutzen eine zentrale Bohrung mit einer Hinterdrehung aufweist.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die innere Stirnseite der Hinterdrehung einen geschliffenen Ventilsitz in gerader oder konischer Ausführung aufweist.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass auf diesem Ventilsitz nach dem Evakuieren des Wärmerohres ein Ventilkegel mit einem geschliffenen Ventilsitz in gerader, konischer oder anderer Ausführung abdichtet, und dass der Vakuumstutzen auf der Endseite nach dem Evakuieren des Wärmerohrs mit einem Deckel mittels Laserlöten, gem. Patent AZ: 103 27 708.0; Int.CL.: B23K 35/28 vom 13.06.2003 oder anderen Verfahren vakuumdicht gefügt wird.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass wenn beide Endkappen keinen Vakuumstutzen aufweisen, eine Endkappe vor dem Evakuieren des Wärmerohres mit diesem fest verbunden ist und die andere nach dem Evakuieren in einer Laserlötvorrichtung mit dem Außenrohr mittels Laser verlötet, oder mit einem anderen Verfahren vakuumdicht gefügt wird.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung des Wärmerohres zwischen zwei Kanälen oder Rohren über den Befestigungsflansch nach Anspruch 12 mittels eines Gegenflansches erfolgt.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass dieser Gegenflansch wiederum auf einem Flansch abdichtet, der mit der Trennwand der beiden Kanäle oder Rohre verbunden ist
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrippen in Form von flachen Platten, mit im Draufsicht viereckiger, vieleckiger, runder oder ovaler Konturen, ausgebildet sind.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Rohrachse liegenden Außenrippen glatt sind, und/oder mit Wellen oder Noppen und/oder mit Düsenlöchern und/oder mit kleinen schrägen Leitrippen versehen sind, sowie eine zentrale Bohrung zum Hindurchführen der Außenrohrelemente aufweisen.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrippen, durch mit ihnen fest verbundene Abstandhalter, von einander getrennt sind.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile einzeln oder aus einem Stück angefertigt werden können.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr und/oder die Außenrippen und/oder mindestens eine Endkappe und/oder das Innenrohr und/oder der Vakuumstutzen nach dem Brennen eine Einheit bilden.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Innenrohr passgenau in das Außenrohr eingefügt oder mit diesem verklebt ist, bzw. mit diesem eine monolithische Einheit bildet.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Innenrohr erst nach dem Brennen durch Herauslösen des freien Siliciums entsteht.