DE2120475A1

DE2120475A1 - Wärmerohr

Info

Publication number: DE2120475A1
Application number: DE19712120475
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Phys. Dr. 6903 Neckargemünd; Gammel Gregor Dipl.-Phys. 6901 Dossenheim Fischer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1971-04-27
Filing date: 1971-04-27
Publication date: 1972-11-02
Also published as: NL7205382A; US3840069A; CH539258A

Description

j Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr mit zumindest an der Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeζone aufgesinterter Kapillar=

Wärmerohre haben die Eigenschaft, große Wärmemengen zu über= tragen, wobei zwischen den Flächen, denen die Wärme zugeführt bzw. abgeführt wird, nur ein kleiner Temperaturunterschied auftritt. Dieser zwar kleine, aber bei konventionellen Wärme= rohren doch nicht zu vernachlässigende Temperaturunterschied setzt sich zusammen aus dem Temperaturabfall infolge Wärme= leitung durch die Wärmerohrwand in der Heizzone AT-* , aus dem durch Wärmeübergang von der Wärmerohrwand zur Arbeitsflüs -sigkeit in dieser auftretenden Temperaturabfall in der Heiz= zone AT^, aus den entsprechenden Größen ÄT\· und AT₀,¹ in der Kühlzone und aus dem beim Transport des Dampfes im Innern des Wärmerohres auftretenden Temperaturgefälle

WährendAT in vielen Fällen von der Größenanordnung 1 grd

To"

und ΛT^ V-A T^'.von der Größenordnung einige grd ist, nimmt ATc*^ 4-Ttf¹ häufig Werte von einigen 10 grd an. Zur Verbesserung des "Wärmeleitvermögens" von Wärmerohren ist es daher besonders wichtig, At^Atc*¹ zu verkleinern.

Diese Temperaturdifferenz, die durch Wärmeübergang in der Ar= beitsflüssigkeit bedingt ist, kann dadurch verkleinert werden/

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daß man die Wärmeübergangsfläche vergrößert. Dies wird erreicht,¹ indem das Innere des Wärmerohres am Ort des Wärmeüberganges j mit einer Kapillarstruktur versehen wird, so daß das Verhältnis , Wärmeübergangsfläche im Innern des Wärmerohres zur entsprechen= '. den äußeren Fläche, wo die Wärme zu- oder abgeführt wird, größer als 1 wird.

Bis zu einem gewissen Grad wird der erwünschte Effekt in jedem Wärmerohr deswegen erzielt, weil für den Transport der Arbeitsflüssigkeit eine Kapillarstruktur notwendig ist, also die.innere Oberfläche ohnehin vergrößert ist. Bei Wärmerohren,, in denen der Flüssigkeitstransport durch Rillen oder ein " Gewinde in der Wärmerohrinnenwand oder durch ein Netz bewirkt wird, ist die Vergrößerung der inneren Oberfläche jedoch nur gering und deshalb die Verringerung von A T_w /- A. ^ » höchstens klein. Dazu kommt bei Wärmerohren mit Netzstrukturen, daß der Wärmekontakt zwischen Netz und Wand oder zwischen verschie= j denen, übereinanderliegenden Netzen im allgemeinen schlecht j ist, so daß die vergrößerte innere Oberfläche nicht voll nutz- j bar wird, weil die Wärme nur unvollkommen zu ihr hingeleitet wird.

Ziel der Erfindung ist es, ein Wärmerohr zu schaffen, bei dem eine wesentliche Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche und damit eine Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche erreicht wird, wobei der Temperaturabfall innerhalb der Flüssigkeit selbst ver= ringert ist. Darüberhinaus sollen die Nachteile bekannter Kapillarstrukturen vermieden werden. Ferner sollen Verfahren zur Herstellung einer Kapillarstruktur angegeben werden, bei welchem die Ziele der Erfindung erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die , Kapillarstruktur nur teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist.

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Eine aus Pulver gleicher Korngröße aufgesinterte Kapillar= •struktur v/eist eine Porenverteilungskurve, mit einem breiten Maximum auf. Das bedeutet, daß eine bestimmte, wenn auch ge= ringe Anzahl Poren kleineren Durchmessers vorhanden ist. Nun soll zumindest soviel Arbeitsmittel eingefüllt sein, daß diese kleinen Poren gefüllt sind, während die größeren Poren frei sind von Arbeitsflüssigkeit. Jedoch ist zu beachten, daß bei einer zu geringen Menge an Arbeitsflüssigkeit die Gefahr des Austrocknens der Wärmeaufnahmezone besteht.

Aus diesem Grunde ist die Kapillarstruktur zumindest in der Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabezone besonders vorteilhaft so ausgebildet, daß die Porenverteilungskurve zwei ausgeprägte Maxima aufweist.

Durch Einfüllen einer geeigneten Flüssigkeitsmenge in das Wärme= rohr kann erreicht werden, daß die feinen Poren mit der Ar= beitsflüssigkeit gefüllt sind, während die groben Poren von Flüssigkeit frei sind. Auf diese Weise wird also einerseits eine große Wärmeübergangsflache Wärmerohrwand - Arbeitsflüs= sigkeit und gleichzeitig eine große Übergangsfläche Flüssig= keit - Dampf realisiert.

Der Vorteil dieser Kapillarstruktur liegt darin, daß der Tem= peraturabfall durch Wärmeübergang in der Arbeitsflüssigkeit wesentlich verkleinert wird. Dies wird erreicht einerseits, indem eine große Kontaktfläche Wärmerohrinnenwand-Arbeits= flüssigkeit geschaffen und andererseits, Indem eine große Verdampfungsfläche eingestellt wird. Insbesondere tritt dieser Vorteil im Bereich des Blasensiedens, also bei größerer Wärme= stromdichte auf, wo die entstandenen Dampfbläschen bei bekann= ten Kapiliarstrukturen erst durch die poröse Struktur hindurch= dringen müssen, was mit einem Druckverlust verbunden ist. Denn wegen der Dampfdruckgleichheit entspricht dem höheren Entstehungsdruck der Bläschen eine höhere Temperatur, d.h.

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es kommt ein Temperaturabfall in der porösen Schicht zustande. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausführung vermieden.

Es seien ferner drei Verfahren zur Herstellung einer Kapillar= \ struktur mit der Porenvertdilungskurve mit· zwei ausgeprägten ; Maxima angegeben.

Ein solches Verfahren wird derart durchgeführt, daß ein Me= tallpulver verwendet wird, bei welchem ein Anteil der Körner des Pulvers aus einem aus zwei Metallen legierten Material, während der andere Anteil aus einem der Metall der Körner aus legiertem Material besteht, wobei das allein in den legierten Körnern vorhandene Metall durch chemische Mittel herausgelöst wird, so daß .die. Kapillarstruktur neben den beim Sintervorgang entstehenden groben Poren noch feine Poren durch das Behandeln mittels eines chemischen Lösungsmittel erhält.

Desweiteren kann vorteilhaft eine Kapillarstruktur dadurch hergestellt werden, daß eine Kapillarstruktur, die in an sich bekannter Weise durch Sintern mit Körnern gleichen Durch= messers und gleichem Materials auf die Innenwand des Wärme= rohrs aufgebracht ist, durch chemische Behandlung, insbesondere durch abwechselnde^Qfciydieren und Reduzieren mit feinen Poren versehen wird. ^ .. ...,,--

Darüberhinaus kann ein Pulver verwendet v/erden, das aus Körnern zweier verschiedener Größen besteht, wobei die größeren ! Körner eine längliche Form und die kleineren eine Kugelform

auf v/eis en. t

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt;

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Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kapillarstruktur mit verschiedenen

Porendurchmessern,
Fig. 2 die Verteilungskurve der Poren gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die Warmestromdichte zweier vergleichbarer Wärmerohre abhängig,, von Δ .τ., wobei eines eine bekannte und das andere eine erfindungsgemäße Kapillarstruktur aufweist,

Fig. 4 ein Wärmerohr mit der erfindungsgemäßen Kapillar= struktur.

Auf der Innenseite der Wand 1 eines Wärmerohres (Fig.l) . isteine Kapillarstruktur 2 aufgesintert. Diese Kapillarstruktur 2 v/eist große Poren 3 und kleine Poren 4 auf. Dazu v/erden zwei Fraktionen eines aus dem Wandnaterial des Wärmerohres bestellenden Tulvers. werden gemischt und auf der Innenwand des Wärmerohres festgosintert. Die grobe Fraktion besteht z.B. aus Teilchen von der Größe eines mm. Die zweite Fraktion enthält Körner von etwa 50 JUm Größe. Es ist zweckmäßig, wenn die groben Teilchen nicht Kugelform, sondern eine längliche Form besitzen. Geeignet sind z.B. Feilspäne. Bei kugeligen groben Teilchen hat sich nämlich gezeigt, daß sich die zwischen ihnen verbleibenden Zwischenräume vollständig oder fast voll= ständig mit feinem Pulver zusetzen, so daß keine (oder nur wenige) grobe Poren entstehen.

In Fig. 2 ist die Porenverteilungskurve einer erfindungsgeraäßen ₍ porösen Schicht aufgetragen. Füllt man in das Wärmerohr eine dem freien Porenvolumen der kleinen Poren entsprechende Flüs= sigkeitsmenge ein, so werden wegen der größeren Kapillar= kraft nur dia kleinen Poren mit Flüssigkeit gefüllt, während die großen Poren frei bleiben. Das ist in Fig. 2 durch eine Schraffur angedeutet. Zur Erzielung das gewünschten Effektes ist es jedoch nicht unbedingt notwendig, daß in der Poren= Verteilungskurve, wie in Fig. 2, zwei Maxima auftreten. Es genügt auch, wenn die Porenverteilungskurve ein breites Maximum

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aufweist, daß nur die Poren mit kleinem Porenradius, dagegen nicht die mit großem Porenradius, gefüllt werden.

Eine ähnliche Kapillarstruktur mit gleicher Porenvertexlungs= kurve erhält man folgendermaßen.

Auf der Innenseite der Wand des Wärmerohres wird ein Pulverge= misch aus 2 Komponenten aufgesintert. Die Teilchengröße der beiden Komponenten kann, muß aber nicht, gleich groß sein. Die eine Komponente besteht au_a einem Metall. Die andere Korn= ponente enthalt außer dem gleichen Metall als Legierungs= bestandteil ein "anderes Metall, welches sich z.B. chemisch mindestens teilweise wieder entfernen läßt. Beispiel:

1. Komponente: Nickel. 2. Komponente: Nickel — Aluminium. Aluminium läßt sich mit Kalilauge aus der Legierung heraus= lösen. Dadurch entstehen in den legierten Körnern feine Poren, während die groben Poren beim Sintervorgang übriggelassen werden.

Die erfindungsgemäße Kapillarstruktur gemäß Fig. 1 erfüllt ihren Zweck jedoch nur dann, wenn dafür gesorgt wird, daß sich in ihr nicht zu viel und nicht zu wenig Flüssigkeit befin= det. Im folgenden werden zwei Möglichkeiten angegeben, wie dies erreicht werden kann.

Im optimalen Fall sind alle feinen Poren, die sich auf den groben Teilchen befinden, mit Flüssigkeit gefüllt, während alle groben Poren frei sind (Fig.l). Die einfachste Methode, dies zu erreichen, besteht darin, in das Wärmerohr soviel Flüssigkeit einzufüllen, daß dies gerade der Fall ist. Dann entspricht der Füllzustand dem in Fig. 2 schematisch darge= stellten Füllzustand.

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Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung eines nahezu optimalen i

Füllzustandes besteht darin, ein Wärmerohr, bei den die Wärme |

an der einen Stirnfläche zugeführt und an der anderen Stirn= j

fläche abgeführt wird, mit viel Arbeitsflüssigkeit zu füllen J

und das Rohr -waagerecht zu betreiben. Unten im Rohr steht j

dann die Flüssigkeit auch noch etwas über den an der Wand I befindlichen Poren. An den Stirnflächen steigt die Flüssig= keit zwar in die feinen Poren/ aber praktisch nicht in die groben Poren, weil die Steighöhe zu klein ist.

Ein Wärmerohr, welches mit der erf indungsgeinäßen Kapillar= struktur versehen ist, zeigt Fig. 4. Die überschüssige Arbeits= flüssigkeit 5 steht in einer geeignet ausgebildeten Ausbuch= tung fi, unterhalb des Wärmerohres. Eine Kapillarstruktur 3 bekleidet die gesamte Wand des Wärmerohres 7. Die Wärmezu= fuhr ist mit den Pfeilen 9 und die Wärmeabfuhr mit den Pfeilen 10 dargestellt. Die Flüssigkeit 5 steigt an den Stellen, wo die Wärme zu oder abgeführt wird, nur in die feinen Poren mit dem kleineren Durchmesser.

Eer Grund dafür, warum die Porenverteilung derjenigen in Fig.2 entsprechen soll, ist folgender:

Theoretisch·ist nämlich jede Porenverteilung dafür geeignet, die hier beschriebenen Effekte zu realisieren. Auch bei einer Porenverteilung mit einem sehr spitzen Maximum kann man, zu= mindest durch Einfüllen einer geeigneten Flüssigkeitsmenge, erreichen, daß die feinen Poren, deren Porenradius von den der groben Poren nur wenig verschieden ist, gefüllt sind, während die groben Poren frei sind. Praktisch hängt jedoch der Füllzustand der Poren in der Heizfläche nicht nur von der eingefüllten Flüssigkeitsmenge oder von der Steighöhe, sondern auch von .der zugeführten Wärmemenge ab. Diese Abhängigkeit ist bei Strukturen mit einer spitzen Porenverteilung besonders groß. Um auch bei veränderlichem Wärmestrom immer in der Nähe

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des minimalen Δ T arbeiten zu können, ist die in Fig. 2 skizzier= te Porenverteilung von Bedeutung.

Als Beispiel für die mit solchen Strukturen erzielbaren Ver= besserungen raögen .Messungen' an zwei Wärmerohren aus Kupfer mit Wasser als Arbeitsflüssigkeit dienen. Bei beiden Wärme= rohren war die Wärmestromdichte in der Heizzone groß und in der Kühlzone klein, so daß es genügt, die Effekte in der Heiz= zone zu beschreiben.

Das Wärmerohr Ur. 1 war mit einer 2 ram dicken Sinterschient aus Cu-Teilchen mit einer Korngröße von 125 - 25OyUm versehen. Die Porenverteilungskurve war relativ spitz. Im Wärmerohr war soviel Wasser enthalten, daß gerade alle Poren voll Wasser waren.

Das Wärmerohr Ur. 2 war in der Heizzone mit einer 2 mm dicken Sinterschicht aus Kupferfeilspänen (Länge der Feilspäne =1,5 mm) und annähernd kugelförmigen Kupferteilchen von der Größen= Ordnung 50ju~a versehen. Die groben und feinen Teilchen wurde vor dem Sintern im Gewichtsverhältnis 2 : 1 gemischt. i

Die Menge des Wassers wurde so lange variiert, bis der Terape= raturuntersenied zwischen einem Loch an der Heizzonenwand und dem Innern des Wärmerohres bei konstanter Wärmezufuhr ein ' Minimum annahm. . j

In Fig. 3 sind die an den beiden Wärmerohren zwischen den beiden genannten Stellen gemessenen Temperaturunterschiede in Abhängig= keit von der an der Heizfläche, herrschenden Wärniestromdichten aufgetragen. Aus der Darstellung geht hervor, daß bei Verwen= dung des Wämerohres 2 bei gleicher Teraperaturdifferenz größere

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Warmestromdichten erreicht wurden. Gleich wichtig oder in vielen Anwendungsfällen noch wichtiger ist, daß bei gleicher Heizstromdichte die Temperaturdifferenz A T verkleinert werden kann. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann man durch übergang vom Wärmerohr Nr. 1 zum Wärmerohr Nr. 2 aus dem Bereich des BIa= sensiedens übergehen in den Bereich der Oberflächenyerdampfung. In diesem Bereich ist die Reduktion von ^T größer, weil die Kurve in diesem Bereich flacher verläuft.

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BAD OBIGiNAU

Claims

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Wärmerohr mit zumindest an der Wärmeaufnähme- und Warne= abgabezone aufgesinterter Kapillarstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur nur teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist.

Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Verteilungskurve der Poren innerhalb der Kapillarstruk= tür zumindest in der Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeζone zwei ausgeprägte Maxima aufweist.

3. Verfahren'zur Herstellung einer Kapillarstruktur gemäß An= spruch 2, d'adurch gekennzeichnet, daß ein Metallpulver verwendet wird, bei welchem ein Anteil der Körner des PuI= versaus einem .aus zwei Metallen legierten Material, während der andere Anteil aus einem der Metalle der Körner aus legiertem Material.besteht, wobei das allein in den legierten

. Körnern vorhandene Metall durch chemische Mittel heraus= gelöst wird, so daß die Kapillarstruktur neben den bein Sintervorgang entstehenden groben Poren noch feine Poren durch das Behandeln mit einem chemischen Lösungsmittel erhält.

4. Verfahren zur Herstellung einer Kapillarstruktur gemäß .Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillar= struktur, die in an sich bekannter Weise durch Sintern mit Körnern gleichen Durchmessers und gleichen Materials auf die Innenwand des Wärmerohrs aufgebracht ist, durch chemische Behandlung, insbesondere durch abwechselndes Oxydieren und Reduzieren mit feinen Poren versehen wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Kapillar= struktur gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver verwendet wird, das aus Körnern zweier ver= schiedener Größen besteht, wobei die größeren Körner eine längliche Form und die kleineren eine Kugelform aufweinen.

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