DE2104183C3 - Wärmeübertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ubertraeung von Wärme mit einer geschlossenen Kammer, in der sich ein in einer bestimmten Zone der Kammer teilweise verdampfendes und in einer anderen Zone teilweise kondensierendes Fluid sov ie mindestens eine den flüssigen Anteil des Fluids von der Kondensationszone zur Verdampfungszone leitende Verbindungsleitune berindet deren Wandung zumindest im Bereich de. Verdampfungszone und der Kondensationszone eine durch das Fluid benetzbare Kapillarstruktur auf-

^Derartige als Wärmerohre bezeichnete Wärmeübertragungsvorrichtungen haben gegenüber den bester, metallischen Wärmeleitern den Vorteil, verhältnismäßig große Wärmeströme bei kleinen Temperaturdiffe renzen übertragen zu können.

Als Kapillarstrukiuren 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 Kammerinnenwand an. Bei derartigen Käfigen besteht jedoch die Gefahr, daß an der Stoßstelle bzw. im Überlappungsbereich der Ränder des Drahtnetzes oder der Bleche Lükken auftreten, die weit größer sind als die Kapillarquerschnitte. Da aber der erreichbare Wärmestrom zwisehen der Verdampfungszone und der Kondensationszone entscheidend von den Kapillarkräften bestimmt wird, die um so größer sind, je kleiner die Kapillarquerschnitte sind, wird durch solche Lücken die Leistungsfähigkeit eines Wärmerohrs wesentlich verschlechtert, oder dessen Funktionieren überhaupt unmöglich gemacht. Um das Auftreten von Lücken weitgehend zu vermeiden, werden die Käfige häufig aus mehreren Drahtnetzlagen hergestellt. Solche Käfige nehmen aber

•inen relativ großen Raum in Anspruch, der dem Dampfraiim des Wärmerohrs abgeht. Für das Funktio-Ijpren des Wärmerohrs wäre eine einzige Netzlage ausreichend und meist sogar optimal. Eine weitere bekannte Möglichkeit, die an den Rändern der gewiekel-•en Netze auftretenden Lücken zu verschließen, be-■leht darin, die Randbereiche z. B. durch Hämmern, flehen oder Zusammendrücken mit den darüber- oder darunterliegenden Netzlagen kaltzuverschweißen. Ein Kachteil dieses Verfahrens ist aber, daß hierdurch in den betreffenden Bereichen die Kapillaren teilweise lerstört werden können.

Es ist auch bekannt, die Kapillarstruktur in Form von Nuten in die Innenwandung der Kammer einzuschneiden. Perartige Kapillarnuten können aber nicht mit finer solchen Feinheit und Flächendichte hergestellt werden, wie sie für den Hochleisiungsbetrieb eines Wärmerohrs verlangt werden. Weiter muß bei einem Wärmerohr, dessen Kapillarstruktur ausschließlich durch Nuten in der Kammerwand gebildet ist. der gesamte flüssige Anteil des Fluids von den Kapillaren selbst aufgenommen werden. Die hierdurch aufnehmbare Flüssigkeilsmenge reicht jedoch insbesondere für den Hochleistungsbeirieb eines Wärmevohrs in der Regel nicht aus. a₅

Bei den oben beschriebenen Wärmerohr-Konstruktionen wird die den flüssigen Anteil des Fluids von der Kondensationszone zur Verdampfungszone leitende Verbindungsleitung 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 Kondensationszone mit der Verdampfungszonc verbindende NuUn 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 Kapillarverbindung zwischen der Verbindungslcitung 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 Verbindungsleitungen 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 gezeigt, daß die bei dieser Konstruktion die eigentliche Kapillarstruktur bildenden Quernuten wie weiter oben schon ausgeführt, nicht ohne weiteres mit der erforderlichen Feinheit und Flächendichte in die Kammerwand eingeschnitten werden können. Weiter ist eine lückenlose kapillare Verbindung zwischen dem vorzugsweise aus Drahtnetzen besiehenden Dochtsteg und den einzelnen Quernuten schwierig herzustellen. An diesen Übergangsstellen möglicherweise auftretende Lücken bringen den Nachteil .ttit sich, daß die effektive Kapillarkraft und damit die innerhalb der Vorrichtung in der Zeiteinheit umwälzbare Fluidnienge reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenangeführlen, durch die Eigenschaften der jeweils verwendeten Kapillarstruktur bedingten Nachteile der beschriebenen Wärmerohre zu vermeiden und die mit diesen Wärmerohren erreichbaren Wärmeströme durch Verwendung einer neuartigen Kapillarstruktur zu steigern.

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 Drahtes keine aneinanderstoßenden oder sich überlappenden Ränder auftreten, an denen sich die effektive Kapillarkraft herabsetzende Lücken bilden könnten. Deshalb ist es auch möglich, bei besonders hohen Anforderungen an die Leistung einlngige Wicklungen zu verwenden. Für besondere Fälle, wenn z. B. eine gewisse Formstabilität der Kapillarstruktur verlangt wird, kann diese auch mehrere Drahur'agen aufweisen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Windungen der Drähte in verschiedenen Lagen unterschiedliche Steigungen aufweisen. Außerdem ist das schraubenförmige Aufwikkeln eines, dünnen Drahtes einfacher und billiger als die iHerstellung eines Maschennetzes mit vergleichbarer Maschenweite.

Die erfindungsgemäße Kapillarstruktur 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 WärmeübertragLingsvorrichtung besteht darin, daß ein geeigneter Draht in an sich bekannter Weise, z. B. mittels einer Spulenwickelmaschine, auf einen Dorn aufgewickelt wird. Die einzelnen Diahtwindungen können anschließend entweder außerhalb der Kammer oder nach dem Einführen des auf den Dorn aulgewickelten 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 durch Beaufschlagung mit Ultraschallener- g\e zerstört wird.

Nach einem weiteren vorteilhaften Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein geeigneter Draht auf einen mit Wanddurchbriichen versehenen Stützkäfig aufgewickelt und zusammen mit dem Stüc.käfig in die Kammer eingesetzt. Beim Aufwickeln des meist sehr dünnen Drahtes auf einen derartigen Stützkörper spannt sich der Draht geradlinig über dessen Wanddurchbrüche. In eingesetztem Zustand würden sich daher zwischen der Kapillorstruktur und der Kammerwand Taschen ausbilden, in denen insbesondere in der Heizzone sich unerwünschte Dampfbläschen bilden können. Um das Auftreten derartiger Taschen zu vermeiden, können die Wanddurchbrüche des Stützkäfigs vor dem Aufwickeln des Drahtes mit einem Werkstoff "erschlossen 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. S 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. *5

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 »5 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 I ist eine als Käfig 2 ausgebildete 3» Kapillarstruktur 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 Verbindungslcitung 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.

In 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 Kondensation-zone 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 «einer Kondensationswärme (Pfeile 12) und tritt in die dlas Kondensat zur Verdampfungszone 5 zurückleitendi; Verbindungsleitung 13 ein. Das zurückströmende Kondensat ist durch die Pfeile 13' gekennzeichnet. Die für den Rücktransport erforderliche Druckdifferenz wird durch die Kapillarkräfte 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 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 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, dessen Windungen etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des huids im Flüssigkeits- 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 Innen wandung 3 der Kammer an, und ergänzen sich in ihrem zweiten Umfangsbereich 18 zu einen rohrförmigen, die Verbindungsleitung 13 bildenden Kanal und in ihrem dritter Umfangsbereich zu Dochtstegen 19. die eine kapillare Verbindung zwischen der Verbindungsleitung 13 und dem querverlaufende Kapillaren 20 bildenden erster Umfangsbereich 17 herstellen. Das aus den Kapillarer 20 in der beheizten Verdampfungszone wegdampfende Fluid wird ständig über den Dochtsteg nachgefüllt Ent sprechend gelangt das in der Kondensationszone kondensierende Fluid ebenfalls über den Dochtsteg 19 ir die Verbindungsleitung 131 und wird von dort zur Ver dampfungszone 5 zurückgefördert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

durch Beaufschlagen mit Ultraschallenergie zerstört Patentansprüche: Wi'

1. Vorrichtung zur Übertragung von Wärme mit einer geschlossenen Kammer, in der sich ein in einer 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 Verbindungs- leitung 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 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapiilarstruktur (2) mehrere Drahtlagen auf« eist.

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, as 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 di" Kapillarstruktur durch mehrere Drahtkäfige gebildet ist, die einen ersten, jeweils gegen die Innenfläche (3) der Kammerwand anliegenden Umfangsbereich (17), einen zweiten sich mit dem entsprechenden Umfangsbereich (18) eines anderen Drahtkäfigs oder mehrerer anderer Drahtkäfige zu der rohrförmigen Verbindungslcitung (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 I 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.

tO. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn einen aus keramischem Werkstoff bestehenden Überzug aufweist, der zum Lösen des Doms von der Kapillarstruktur n' Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn-ύ Q die Kammerwand im Plasma-Spruhd e KapHlarstruktur aufgesprüht wird.

^SeSSSA ,,dadurch «kennzeichnet, daß vor dem Aufbringen, der Kame^e* , _Hj_ _mj. je,- Kammerwand nicht uumiuel-Kverbind'nd'nTeile der ^struktur _mit einer abtrennbaren Schutzsch.cht überzogen wer-

H Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn einen Überzug au weist der zum Loslösen des Doms von der Kapiltantroktur mittels eines Lösungsmittels aufgelost

^W'l5" Verfahren zur Herstellung einer Voirichtung nirh einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenneichnet, iäß der Draht auf einen mit Wanddurchbrüchen versehenen Stützkäfig aufgewickelt und zusammen mit dem Stützkäfig in die Kammer cn-

^g"&¹ Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß die Wanddurchbrüche des Stutzkafigs vor dem Aufwickein des Drahtes mit einem Werkstoff verschlossen werden, der nach dem Einsetzen des Käfigs in die Kammer herausgelöst wird.