DE2137227B2 - Kapillar-Wärmerohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kapillar-Wärmerohr mit mindestens einer Verdampfungszone und mindestens einer sich wenigstens im wesentlichen quer zur Wärmetransportrichtung erstreckenden und eine Rohrbehälterendfläche bildenden Kondensationszone.

Ein solches Wärmerohr ist aus der US-PS 3 489 203 bekannt.

Normalerweise ist das Wärmerohr evakuiert, damit der Verdampfungs-Kondensationsprozeß gut durchgeführt werden kann.

Unter Umständen kann es jedoch passieren, daß gasförmige Verunreinigungen durch die Wand des Wärmerohres hindurch in seinen Rohrbehälterraum diffundieren oder im Betrieb des Wärmerohres aus der Wand bzw. Kapillarstruktur frei werden. Diese gasförmigen Verunreinigungen werden beim Einschalten bzw. im Betrieb des Wärmerohres in die Wärmetransportrichtung von der Verdampfungs- zur Kondensationszone getrieben. Bei der sich quer zur Wärmetransportrichtung erstreckenden und eine Rohrbehälterendfläche bildenden Kondensationszone braucht dann nur eine verhältnismäßig geringe Gasmenge angesammelt zu werden, um die ganze Oberfläche dieser Zone zu bedecken. Namentlich bei verhältnismäßig langen Wärmerohren mit großen Oberflächen der Wände in der Längsrichtung und mit kleinen Oberflächen der Kondensationswand in der Querrichtung hat sich schon bald eine Gasschicht an der Kondensationswand gebildet. Kondensation von dampfförmigem Wärmetransportmittel an der Kondensationswand ist dann nicht langer möglich, so daß auch keine Wärme mehr durch diese Wand hindurch dem Wärmerohr entnommen werden kann und das Wärmerohr daher nicht länger brauchbar ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, eine Lösung des obengenannten Problems zu schaffen.

Dazu ist das erfindungsgemäße Kapillar-Wärmerohr gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale, nämlich: In an sich bekannter Weise ist in unmittelbarer Nähe der Kondensations-H) zone an diese ein Speicherbehälter für gasförmige Verunreingigungen, stets offen, angeschlossen; auch der Speicherbehälter weist eine Kapillarschicht auf, so daß durch diese Schicht flüssiges Füllmittel, das in den Speicherbehälter geraten ist, zum Rohrbehälter-Ii raum zurückgeleitet wird.

Auf diese Weise ist erreicht, daß die gasförmigen Verunreinigungen nicht länger eine Hemmung für die Kondensation des dampfförmigen Wärmetransportmittels an der Wand der Kondensationszone bilden, während unter allen Umständen gewährleistet ist, daß flüssiges Wärmetransportmittel, das entweder durch Schwerkraftwirkung oder durch Kondensation im Speicherbehälter in diesen letzteren Behälter geraten ist, wieder in den Rohrbehälterraum des Wärmerohres zurückgeführt wird, um dort aufs neue am Verdampfungs-Kondensationsprozeß teilzunehmen.

Aus »Mechanical Engineering« November 1968, Seiten 48 bis 53 »Applications of the heatpipe«, Fig. 10 ist an sich ein Wärmerohr bekannt, bei dem an die an der Kondensationsseite liegende Endfläche des Wärmerohres ein Gasbehälter angeschlossen ist, in dem sich ein Regelgas befindet. Es handelt sich dabei um die Regelung der wärmedurchlässigen Oberfläche einer Kondensationswand, die sich nicht in der Querrichtung, sondern in der axialen Richtung, d. h., der Wärmetransportrichtung erstreckt.

Bei einer günstigen Ausführungsform des erfindurgsgemäßen Wärmerohres ist an den Speicherbehälter ein Ablauf für gasförmige Verunreinigungen angeschlossen. Dies ist vorteilhaft iu denjenigen Fällen, wo die Gefahr besteht, daß die Menge gasförmiger Verunreinigungen im Speicherbehälter in einem bestimmten Augenblick die Speicherkapazität dieses Speicherbehälters überschreitet.

Die gasförmigen Verunreinigungen lassen sich nun leicht aus dem Speicherbehälter entfernen, ohne daß das Wärmerohr selbst geöffnet zu werden braucht mit allen damit einhergehenden Schwierigkeiten (Absaugen des Wärmetransportmitteldampfes zusammen mit den gasförmigen Verunreinigungen).

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Speicherbehälter durch einen wenigstens im wesentlichen im Wärmerohr angeordneten und auf beiden Enden offenen rohrförmigen Körper gebildet, wobei das als Ablauf wirksame Ende durch eine Wärmerohrwand hindurch hinausgeführt und dort mit einem Absperrelement versehen ist.

Außer einer verhältnismäßig einfachen Konstruktion gibt es hierbei zugleich die Vorteile eines gedrängten Wärmerohrs und einer leichten Zugänglichkeit der Kondensationswand, was insbesondere beim Einbauen eine wichtige Rolle spielt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Kapillar-Wärmerohre, bei denen der Speicherbehälter außerhalb des Behälters angeordnet ist,

Fig. 3 ein Kapillar-Wärmerohr, bei dem der Speicherbehälter einen Teil des Behälters umgibt und mit einem Ablauf für gasförmige Verunreinigungen vergehen ist, und

Fig. 4, 5 und 6 Kapillar-Wärmerohre, bei denen der Speicherbehälter innerhalb des Behälters angeordnet ist, örtlich durch eine Behälterwand hinausgeführt und dort mit einem Hahn versehen ist. Das Kapillar-Wärmerohr nach Fig. 6 hat dabei zwei Kondensationszonen.

Ein Wärmerohr 1 hat einen Rohrbehälterraum 2 (Fig. 1). Das Wärmerohr 1 weist eine Verdampfungszone 3 und eine Kondensationszone 4 auf. In der unmittelbaren Nähe der Kondensationszone 4 schließt sich an den Rohrbehälterraum 2 ein Speicherbehälter S an, der mit dem Rohrbehälterraum 2 in offener Verbindung steht. Die Innenwand des Wärmerohres 1 sowie die des Speicherbehälters 5 ist mit einer Kapillarschicht 6 verkleidet. Das Wärmerohr 1 ist teilweise mit einem Wärmetransportmittel, beispielsweise Natrium, gefüllt und ist zum übrigen, ebenso wie der Speicherbehälter 5, möglichst gut evakuiert. Das Füllen mit Wärmetransportmittel und das Evakuieren erfolgt über eine Leitung 7, in die eine Absperrvorrichtung 8 eingesetzt ist.

Die Wirkungsweise der Wärmetransportvorrichtung ist wie folgt:

Im Betrieb nimmt flüssiges Natrium durch die Wand der Verdampfungszone 3 hndurch Wärme aus einer Wärmequelle auf, wodurch das Natrium verdampft. Der Dampf strömt durch den Rohrbehälterraum 2 zur Kondensationszone 4, und zwar infolge des niedrigeren Dampfdrucks an dieser Stelle wegen der etwas geringeren Temperatur und kondensiert an der Wand der Kondensationszone 4 unter Abgabe der in der Verdampfungszone 3 aufgenommenen Verdampfungswärme. Das Kondensat strömt durch die im Rohrbehälterraum 1 befindliche Kapillarschicht 6 unter Anwendung der Oberflächenspannung des Kondensates zur Verdampfungszone 3 zurück, um dort aufs neue verdampft zu werden. Der Rücktransport des Kondensates erfolgt ungeachtet der Lage des Wärmerohres, also sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwerkraftwirkung. Etwaiges in den Speicherbehälter 5 geratenes Kondensat bzw. darin kondensiertes Natrium strömt ebenfalls wieder zur Verdampfungszone 3 zurück, da die Innenwand des Speicherbehälters 5 ebenfalls mit einer Kapillarschicht 6 bedeckt ist, die sich an die Kapillarschicht 6 innerhalb des Wärmerohres anschließt.

Durch die Wände des Wärmerohres 1 hindurch nach außen diffundierte bzw. im Betrieb aus diesen Wänden oder aus der Kapillarschicht 6 im Wärmerohr 1 freigewordene gasförmige Verunreingiungen strömen ebenfalls unter dem Einfluß des Druckunterschiedes zwischen der Verdampfungszone und der Kondensationszone zusammen mit dem Natriumdampf in Richtung der Kondensationszone 4. An der Kondensationszone 4 werden diese gasförmigen Verunreinigungen in den Speicherbehälter 5 getrieben und bleiben dort angesammelt. Die gasförmigen Verunreinigungen können auf diese Weise nicht die Kondensationszone 4 bedecken und die Kondensation von Natriumdampf an ihrer Wand hemmen. Die ganze Oberfläche der Kondensationszone 4 ist dadurch zur Kondensation verfügbar, so daß die ganze über die Verdampfungszone 3 zugeführte Wärme der Kondensationszone 4 wieder entnommen werden kann.

Das Wärmerohr nach Fig. 2 ist demjenigen nach Fig. 1 fast identisch. Nur der Speicherbehälter 5 ist etwas anders ausgebildet. Die Wirkungsweise dieses Wärmerohres, ebenso wie diejenige des Wärrnerohres nach den Fig. 2 bis 5, ist dieselbe wie die Wirkungsweise ι lach Fig. 1.

Bei den Wärmerohren nach Fig. 1 und 2 können die gasförmigen Verunreinigungen, die im Speicherbehälter 5 angesammelt sind, nur über die Leitung 7 entfernt werden, welche Leitung zum Füllen mit Wärmetransportmittel und zum Evakuieren des Wärmerohres 1 verwendet wird. Ein Entfernen der gasförmigen Verunreinigungen ist selbstverständlich notwendig, wenn der Speicherbehälter 5 überfüllt zu geraten droht. Dieses Entfernen über die Leitung 7 ist jedoch nicht immer zweckdienlich. Einerseits kann es durch Pumpverluste wegen Strömungswiderständen schwierig sein, den Speicherbehälter 5 völlig zu evakuieren, andererseits besteht die Gefahr, daß der Wärmetransportmitteldampf unnötig mitgesaugt wird. Dieser Nachteil ist bei dem Wärmerohr nach Fig. 3 nicht vorhanden, wobei an den Speicherbehälter 5 ein Ablauf 9 für gasförmige Verunreinigungen angeschlossen ist, der mittels eines Absperrelementes 10 geöffnet werden kann. Der Speicherbehälter 5 ist derart ausgebildet, daß er einen Teil des Wärmerohres 1 vollständig umgibt.

In Fig. 4 ist ein Wärmerohr dargestellt, bei dem der Speicherbehälter 5 aus einem im Wärmerohr 1

3» angeordneten und auf beiden Seiten offenen gebogenen hohlen Rohr besteht. Das eine offene Ende liegt in der unmittelbaren Nähe der Kondensationszone 4 deren Wand gegenüber, wogegen das andere Ende durch eine Wand des Wärmerohres herausgeführt ist

j5 und als Ablauf 9 mit dem Absperrelement 10 wirksam ist. Das Rozhr des Speicherbehälters 5 ist an der Innenseite mit einer Kapillarschicht 6 verkleidet, die örtlich mit der auf der Kondensationszone 4 befindlichen Kapillarschicht 6 verbunden ist, so daß flüssiges Natrium durch Kapillarwirkung aus dem Raum innerhalb des Rohres des Speicherbehälters 5 zur Kapillarschicht 6 auf den Wänden des Wärmerohres 1 über diese Kapillarschicht 6 zur Verdampfungszone 3 zurückströmen.

4^r) Fig. 5 zeigt ein Wärmerohr, das in großen Zügen dem nach Fig. 4 entspricht. Der Speicherbehälter 5 ist hier ein gerades Rohr, das durch die der Kondensationszone 4 gegenüberliegende Wand des Wärmerohres 1 hinausgeführt ist. Dies ist hier leicht, weil im Gegensatz zu Fig. 4, die Wand der Verdampfungszone 3 sich im vorliegenden Fall parallel zur Wärmetransportrichtung, d. h. der axialen Richtung, erstreckt. Das Rohr des Speicherbehälters 5 ist dabei auch an seiner Außenseite mit einer Kapillarschicht verkleidet, welche sich an die Kapillarschicht 6 auf den Wänden des Wärmerohres 1 anschließt. Das Wärmerohr nach Fig. 6 hat auf beiden Seiten eine Wand als Kondensationszone 4. Der Speicherbehälter 5 besteht auch hier aus einem geraden Rohr, das innerhalb des Wärmerohres 1 angeordnet ist. Jedes seiner beiden offenen Rohrenden liegt nur einer Wand einer Kondensationszone 4 gegenüber und in der unmittelbaren Nähe derselben. An das Rohr des Speicherbchälters 5 schließt sich der durch eine des Wärmerohres 1 hinausgeführte Ablauf 9 an, in den das Absperrelement 10 eingesetzt ist.

Die Wirkungsweise dieses Wärmerohres weicht insofern ab, als im vorliegenden Fall Wärme durch die

in der Mitte liegende Verdampfungszone 3 hindurch dem Natrium im Wärmerohr 1 zugeführt wird, wodurch dieses verdampft und wobei nun Natriumdampf sowohl nach links als auch nach rechts zu den beiden Verdampfungszonen 4 strömt, und zwar infolge des niedrigeren Dampfdruckes wegen der bei diesen Zonen herrschenden etwas niedrigeren Temperaturen. An den beiden Kondensationszonen 4 kondensiert der Natriumdampf unter Abgabe der Verdampfungswiirmc. wonach die beiden Kondensate durch die Kapillarschicht 6 an den Wänden des Würmcrohrcs 1 zurückströmen zur Verdampfungszone 3. Hei den beiden Wänden der Kondensationszonen 4 werden gasförmige Verunreinigungen in den rohrförmigen Speicherbehälter 5 getrieben und dort gespeichert. welche Verunreinigungen zu gelegener Zeit über de Ablauf 9 entfernt werden können. Auch hier sind d Innen- sowie Außenwände des Speicherbehälters mit einer Kapillarschicht 6 verkleidet, die sich an d Kapillarschicht 6 auf den Wänden des Wärmerohres anschließt, so daß unter allen Umständen wieder ge währlcistct ist, daß kein Kondensat im Speicherbehä ter 5 zurückbleibt.

Mit dieser Konstruktion ist erreicht, daß die beide Kondensationszonen 4 nicht durch Gasschieber welche die Kondensation des Wärmetransportmitte dampfes an diesen Wänden verhindern, bedeckt sine wodurch das Entnehmen der Wärme an den genant ten Wänden der Kondensationszonen nicht länge möglich wäre.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kapillar-Wärmerohr mit mindestens einer Verdampfungszone und mindestens einer sich wenigstens im wesentlichen quer zur Wärmetransportrichtung erstreckenden und eine Rohrbehälterendfläche bildenden Kondensationszone, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) In an sich bekannter Weise ist in unmittelbarer Nähe der Kondensationszone (4) an diese ein Speicherbehälter (5) für gasförmige Verunreinigungen, stets offen, angeschlossen;

b) auch der Speicherbehälter (5) weist eine Kapillarschicht (6) auf, so daß durch diese Schicht flüssiges Füllmittel, das in den Speicherbehälter geraten ist, zum Rohrbehäkerraum (2) zurückgeleitet wird.

2. Kapillar-Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Speicherbehälter (5) ein Ablauf (7, 9) für gasförmige Verunreinigungen anschließt.

3. Kapillar-Wärmerohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (5) durch einen, wenigstens im wesentlichen im Wärmerohr (1) angeordneten und auf beiden Enden offenen, rohrförmigen Körper gebildet ist, wobei das als Ablauf wirksame Ende durch eine Wärmerohrwand hindurch hinausgeführt und dort mit einem Absperrelement (10) versehen ist (Fig. 6).