DE2104183B2

DE2104183B2 -

Info

Publication number: DE2104183B2
Application number: DE19712104183
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Vinz
Original assignee: UNIVERSITAET STUTTGART VERTRETEN DURCH INSTITUT fur KERNENERGETIK 7000 STUTTGART
Current assignee: UNIVERSITAET STUTTGART VERTRETEN DURCH INSTITUT fur KERNENERGETIK 7000 STUTTGART
Priority date: 1971-01-29
Filing date: 1971-01-29
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE2104183C3; DE2104183A1

Description

merwand die mrt d» "

mit we.

a Verfahren nach Anspruch 7 oder 8. dadurch 14. vertäuen 1» r Oberzug auf-

gekennzeichnet, daß der grnan^ ^ ^ g

^¹SaA Lösungsmittels aufge.öst

S Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung

u Im Her Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennnach e.nem der An*ru ^ _Wanddurch.

^gr6Ver!a^dhren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddurchbrüche des Stutzkai,gs ^m Aufwickeln des Drahtes mit einem Werk-ÄÄ^wertien. der nach dem Einsetzen des Sgs in die Kammer herausgelost w.rd.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überira-D,e triinuu * geschlossenen Kammer, in

feK e* meiner bestimmten Zone der Kammer fei wdse verdampfendes und in einer anderen /one kondensierendes Fluid sowie mindestens nne

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meSchen Wärmeleitern den'Vorteil, verh.ltnism.-Sg große Wärmeströme bei kleinen Temperature_rpn7Pn übertragen zu können.

Als Kap"larstrukturen werden bislang meist engmaschige Drahtnetze oder seltener perforierte Bleche verwendet Das Drahtnetz oder das Blech wird dabei zu einem Käfig gewickelt und liegt gegen die Kammenneinem Nang β _derartig_en Käfigen besteht jedoch die " Sfdi.?Äffel1e bzw. im Überlappungsbe-Sch der Ränder des Drahtnetzes oder der Bleche Lukken auftreten, die weit größer sind als die Kap.llarquerschnitte Da aber der erreichbare Wärmestrom zwi- ^ sehen der Verdampfungszone und der Kondensat.onszone entscheidend'von den Kapillarkräften best.mmt wM die um so größer sind, je kleiner die Kap.llarquer-Khnitte sind wird durch solche Lücken die Leis ungsfa-WgESl SS Wärmerohrs wesentlich verschlechtert. _6K oder dessen Funktionieren überhaupt unmöglich gemacht Um das Auftreten von Lücken weitgehend zu vermeiden, werden die Käfige häufig aus mehreren Drahtnetzlagen hergestellt. Solche Käf.ge nehmen aber

einen relativ großen Raum in Ansprach, der dem Dampfraum des Wärmerohrs abgeht. For das Funktionieren des W&rmerohrs ware eine einzige Netzlage ausreichend und meist sogar optimal. Eine weitere bekannte Möglichkeit, die an den Rändern der gewickelten Netze auftretenden Locken zu verschließen, besteht darin, die Randbereiche z.B. durch Hämmern, Ziehen oder Zusammendrücken mit den darüber- oder darunterliegenden Netemgen kaltzuverschweißen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist aber, daß hierdurch in den betreffenden Bereichen die Kapillaren teilweise zerstört werden können.

Ei, ist auch bekannt, die Kapillarsmiktur in Form von Nuten in die Innenwandung der Kammer einzuschneiden. Derartige KapiDamuten können aber nicht mit einer solchen Feinheit und Flächend'tchte hergestellt werden, wie sie für den Hochleistungsbetrieb eines Wärmerohrs verlangt werden. Weiter muß bei einem Wärmerohr, dessen Kapillarstruktur ausschließlich durch Nuten in der Kammerwand gebildet ist, der ge samte flüssige Anteil des Fluids von den Kapillaren selbst aufgenommen werden. Die hierdurch aufnehmbare Flüssigkeitsmenge reicht jedoch iirabesondere für den Hochleistungsbetrieb eines Wärmerchrs in der Regel nicht aus.

Bei den oben beschriebenen Wärmerohr-Konstruktionen wird die den flüssigen Anteil des Fluids von der Kondensationszone zur Verdampfungszone leitende Verbindungsleiiung durch die Kapillaren selbst oder durch die ebenfalls recht dünnen Kanäle zwischen den verschiedenen Netzlagen des Käfigs gebildet. Besonders bei langen Wärmerohren tritt im Betrieb der wesentliche Druckabfall in diesen Verbindungsleitungen auf. Daher wird in den oben beschriebenen Fällen die potentielle Leistungsfähigkeit eines Wärmerohres nicht voll ausgenutzt Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, entweder in der Innenwandung der Kammer durch die netzartige Käfigwand überspannte, die Kondensat,onszone mit der Verdampfungszone verbindende Nuten vorzusehen, oder zwischen Netz und Kammerwand einen Ringspalt auszubilden. Weiter wurde bereits vorgeschlagen, die Verbindungsleitung rohrförmig auszubilden und in das Innere der Kammer zu verlegen. In dieser Konstruktion stellen Dochtstege die erforderliche Kapillarverbindu.ng zwischen der Verbindungsleitung und der beheizten bzw. gekühlten Kammerwandung her. Eine Vielzahl von in die Kammerwandung eingeschnittenen, senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Nuten sollen dort für eine gleichmäßige Benetzung der Kammerinnenwand sorgen. Diese Vorrichtung hat gegenüber den beiden obengenannten Konstruktionen, in denen die Verbindungs'eitungen zwischen dem Netz und der in der Heizzone beheizten Kammerwandung verlaufen, den Vorteil, daß hier nicht wie dort die Gefahr besieht, daß sich in der Leitung Blasen bilden, die ein Austrocknen der Kapillaren und damit eine Zerstörung der Vorrichtung bewirken können. Es hat sich jedoch ge/eigt. daß die bei dieser Konstruktion die eigentliche Kapillarstruktur bildenden Quernuten wie weiter oben schon ausgeführt, nichl ohne weiteres mit der erforderlichen Feinheit und Flächendichte in die Kammerwand eingeschnitten wurden können. Weiter ist eine lückenlose kapillare Verbindung zwischen dem vorzugsweise aus Drahtnetzen besehenden Dochtsteg und den einzelnen Quernuten schwierig herzustellen. An diesen Übergangsstellen möglicherweise auftretende Lücken brineen den Nachteil mit sich, daß die effektive Kapillarkraft und damit die innerhalb der Vorrichtung in der Zeiteinheit umwälzbare Fluidmenge reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenangcföhrten, durch die Eigenschaften der jeweils, v.err

δ wendeten Kapillarstruktur bedingten Nachteile der beschriebenen Warmerohre zu vermeiden und die mit diesen Wärmerohren erreichbaren Wärmeströme durch Verwendung einer neuartigen Kapülarstruktur zu steigern.

ία Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kapillarstruktur aus mindestens einem schraubenförmig gewickelten Draht besteht.

Eine solche Kapillarstruktur hat gegenüber Maschennetzen den Vorteil, daß beim Wickeln des Drahts tes keine aneinanderstoßenden oder sich Oberlappenden Ränder auftreten, an denen sich die effektive Kapillarkraft herabsetzende Lücken bilden könnten. Deshalb ist es auch möglich, bei besonders hohen Anforderungen an die Leistung einlagige Wicklungen zu verwenden. Für besondere Fälle, wenn z. B. eine gewisse Formstabilität der Kapillarstruktur verlangt wird, kann diese auch mehrere Draht,-'-^agen aufweisen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Wir düngen der Drähte in verschiedenen Lagen unterschiedliche Steigungen auf-

aj weisen. Außerdem ist das schraubenförmige Aufwikkeln eines dünnen Drahtes einfacher und billiger als die Herstellung eines Maschennetzes mit vergleichbarer Maschenweite.

Die erfindungsgemäße Kapiliarstruktur ist besonders für zylindrische Wärmerohre, aber auch für solche mit ovalem oder mehreckigem Querschnitt geeignet. Ebenso eignet sich die Kapillarstruktur auch für solche Wärmerohre, die in ihrer Längserstreckung gebogen sind.
Ein erster Verfahrensschritt bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung besteht darin, daß ein geeigneter Draht in an sich bekannter Weise, z. B. mittels einer Spulenwickelmaschine, auf einen Dorn aufgewickelt wird. Die einzelnen Drahtwindungen können anschließend entweder außerhalb der Kammer oder nach dem Einführen des auf den Dorn aufgewickelten Drahtkäfigs in die Kammer durch Sinterung miteinander verbunden und gegebenenfalls an der Kammerwand befestigt werden. Anschließend muß der Dorn entfernt werden. Letzteres kann einmal dadurch bewerkstelligt werden, daß der Dorn durch ein geeignetes Lösungsmittel herausgelöst wird. Besteht der Dorn beispielsweise aus Kupfer, so kann als Lösungsmittel Salpetersäure verwendet werden. Zum' anderen ist es auch möglich, den Dorn mit

einem aus keramischem Werkstoff bestehendem Überzug zu versehen, der zum Loslösen des Doms von dem Drahtkäfig du^ch Beaufschlagung mit Ultraschallenergie zerstört wird.
Nach einem weiteren vorteilhaften Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäflen Vorrichtung wird ein geeigneter Draht auf einen mit Wanddurchbrüchen versehenen Stützkäfig aufgewickelt und zusammen mit dem Siützkäfig in dia Kammer eingesetzt. Beim Aufwickeln des meist sehr dünnen Drahtes auf einen derartigen Stützkörper spannt sich der Draht geradlinig über dessen Wanddurchbrüche. In eingesetztem Zustand wurden sich daher zwischen der Kapillarstruktur und der Kammerwand Taschen ausbilden, in denen insbesondere in der Heizzone sich unerwünschte Dampfes Waschen bilden können. Um das Auftreten derartiger Taschen zu vermeiden, können die Wanddurchbrüche des Stützkäfigs vor dem Aufwickeln des Drahtes mit einem Werkstoff verschlossen werden, der nach dem

Einsetzen des Käfigs in die Kammer wieder herausgelöst werden kann.

Bei den oben beschriebenen Herstellungsverfahren wurde jeweils vorausgesetzt, daß die Kammer des Wärmerohrs in vorgefertigter Form vorhanden ist. Nach einem weiteren vorteilhaften Herstellungsverfahren ist dies jedoch nicht erforderlich, da dort die Kammerwandung im Plasma-Sprühverfahren oder elektrolytisch auf den Drahtkäfig aufgebracht wird. Um zu vermeiden, daß die Kapillaren an den nicht unmittelbar mit der Kammerwand zu verbindenden Käfigteilen mit dem aufzutragenden Wandmaterial verdeckt oder verschlossen werden, ist es zweckmäßig, diese Käfigteile vor dem Aufbringen der Kammerwand mit einer abtrennbaren Schutzschicht zu überziehen.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Skizze zur Erläuterung der Funktion eines Wärmerohrs,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch ein Wärmerohr mit einer einlagigen Kapillarstruktur,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch ein Wärmerohr mit einer zweitägigen Kapillarstruktur,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Schnittlinie 4-4 der F i g. 2.

F i g. 5 einen Schnitt durch ein Wärmerohr mit zentraler rohrförmiger Verbindungsleitung.

In einer an beiden Stirnseiten verschlossenen rohrförmigen Kammer 1 ist eine als Käfig 2 ausgebildete Kapillarsttrukuir angeordnet, die gegen die Innenwandung 3 der Kammer anliegt. Der Käfig 2 trennt den Innenraum der Kammer in zwei Teilräume — den den flüssigen Anteil eines in der Kammer befindlichen Fluids aufnehmenden eine Verbindungsleitung 13 bildenden Raum zwischen Kammerwand 3 und Käfig 2 und den den gasförmigen Anteil aufnehmenden Raum 4 innerhalb des Käfigs 2, Beide Räume stehen über die Kapillaren des Käfigs 2 miteinander in Verbindung.

tn der Verdampfungszone 5 wird der Vorrichtung Wärme zugeführt (Pfeile 6). Dies bewirkt an den mit den Pfeilen 7 bezeichneten Stellen ein teilweises Verdampfen der in den Kapillaren des Käfigs 2 vorhandenen Flüssigkeit Der Dampf strömt im Dampfraum 4 in Richtung der Pfeile 8 von der Verdampfungszone 5 gegebenenfalls über eine wärmeisolierte Transportzone 9 zur Kondensationszone 10. Im Bereich der Kondensationszone wird die Wärmerohrkammer z.B. durch Wärmestrahlung oder durch ein vorbeiströmendes Kühlmittel gekühlt (Pfeile 11). Daher kondensiert ein Teil des in diesem Bereich auf den Käfig auftreffenden Dampfes unter Abgabe seiner Kondensationswärme

(P'zili; 12) und tritt in die das Kondensat zur Verdampfungszone 5 zuriickleitende Verbindungsleitung 13 ein. Das üurückströmende Kondensat ist durch die Pfeile 13' gekennzeichnet. Die für den Rücktransport erforderliche Druckdifferenz wird durch die Kapillarkräfte

ίο aufgebaut.

In der in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform sind in der Innenwand 3 der Kammer 1 Längsnuten 14 eingeschnitten, die zusammen mit den die Nuten überspannenden Käfigteilen die Verbindungsleitung 13

is bilden. In der Verdampfungszone 5 gehen die Nuten 14 in Kapillarnuten 15 über, um weitgehend zu vermeiden, daß dort beim Beheizen innerhalb der Flüssigkeit ein großer Temperaturabfall oder gar Dampfblasen entstehen. Das Entstehen von Dampfblasen muß verhindert

»β werden, weil dies meist ein schnelles Durchbrennen der Kammerwand und damit die Zerstörung des Wärmerohrs zur Folge hat.

Der die Kapillarstruktur bildende Käfig 2 besteht aus einem schraubenförmig aufgewickelten Draht 16. des-

»5 sen Windungen etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids im Flüssigkeit«- und Dampfraum verlaufen. In F i g. 2 ist eine eintägige und in F i g. 3 eine zweilagige Struktur dargestellt. Der Drahtkäfig ist in der Zeichnung wegen der Anschaulichkeit in einem größeren

Maßstab gezeichnet als die Kammer.

In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungsvorrichtung gezeigt, in welcher sich zwei aus schraubenförmig aufgewickelten Drähten 16 bestehende Käfige 2 befinden. Diese Käfige liegen mit einem ersten Umfangsbereich 17 gegen die Innenwandung 3 der Kammer an, und ergänzen sich in ihrem zweiten Umfangsbereich 18 zu einen rohrförmigen, die Verbindungsleitung 13 bildenden Kanal und in ihrem dritten Umfangsbereich zu Dochtstegen 19. die eine kapillare Verbindung zwischen der Verbindungsleitung 13 und dem querverlaufende Kapillaren 20 bildenden ersten Umfangsbereich 17 herstellen. Das aus den Kapillaren 20 in der beheizten Verdampfungszone wegdampfende Fluid wird ständig über den Dochtsteg nachgefüllt. Ent sprechend gelangt das in der Kondensationszone kon densierende Fluid ebenfalls Ober den Dochtsteg 19 in die Verbindungsleitung 13 und wird von dor< zur Verdampfungszone 5 zurückgefördert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

104 183 * 2

durch Beaufschlagen mit Ultraschallen«^ «rstön

Patentansprüche;

1, Vorrichtung zur Übertragung von Wärme mit «iner geschlossenen Kammer, in der sich ein in liner bestimmten Zone der Kammer teilweise verdampfendes und in einer anderen Zone teilweise Kondensierendes Fluid sowie mindestens eine den flüssigen Anteil des Fluids von der Kondensationszone zur Verdampfungszone leitende Verbindungsleitung befindet, deren Wandung zumindest im Bereich der Verdampfungszone und der Kondensationszone eine durch das Fluid benetzbare Kapillarstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (2) aus mindestens einem schraubenförmig gewickelten Draht (16) besteht

2. Vorrichtung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (2) mehrere Drahtlagen auf veist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Drähte (16) der Kapillarstruktur (2) in verschiedenen Lagen unterschiedliche Steigungen aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Drahtkäfig bildende Kapillarstruktur unter Bildung eines die Verbindungsleitung darstellenden Spalts über Abstandshalter mit der Kammerinnenwand (3) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Λιε Kapillarstruktur durch mehrere Drahtkäßge gebildet ist, die einen ersten, jeweils gegen die Inneni.äche (3) der Kammerwand anliegenden Umfangsbereich (17), einen zweiten sich mit dem entsprechenden Umfangsbereich (18) eines anderen Drahtkäfigs oder mehrerer anderer Drahtkäfige zu der rohrförmigen Verbindungsleitung (13) ergänzenden Umfangsbereich (18) und einen dritten gegen den entsprechenden Umfangsbereich eines der anderen Drahtkäfige anliegenden, und sich mit diesem zu einem die rohrförmige Verbindungsleitung (13) mit der Kammerinnenwand verbindenden Dochtsteg (19) ergänzenden Umfangsbereich aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kapillarstruktur bildende Drahtkäfig (2) mindestens eine aus einem spiralförmig gewickelten Draht bestehende Stirnwand aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Kapillarstruktur ein Draht auf einen Dorn aufgewickelt wird, die einzelnen Drahtwindungen miteinander verbunden werden und anschließend der Dorn entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn nach dem Einführen in eine entsprechend ausgebildete Kammer und nach dem Befestigen der auf den Dorn aufgewickelten Kapillarstruktur an der Kammerwand entfernt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn mittels eines Lösungsmittels herausgelöst wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn einen aus keramischem Werkstoff bestehenden Oberzug aufweist, der zum Lösen des Doms von der Kapillarstruktur

7.