DE2164970A1 - - Google Patents

Description

PHN. 5519.

jw/evh.

Dr. Herbert Seheis Patentanwalt AimeWir: fci.V. Philips' Gloeiiampenfabriekeo

Akte No.. PHN- 5319 Anmeldung vomi 1. Jan. 1972

WSrmetranaportvorrichtung.

Die Erfindung bezieht aioh auf eine Wärmetransportvorrichtung mit einem geschlossenen Behälter mit einerseits mindestens einer ersten und andererseits mindesten? einer zweiten Wärmedurohgangswand, in welchem Behälter sich ein Wärmetransportmedium befindet, das durch die erste Wärmedurchgangswand hindurch unter Uebergang aus der Flussigkeitsphase in die Dampfphase Wärme aufnimmt und der zweiten Wärmedurohgangswand untez Uebergang aus der Dampfphase in die Flüssigkeitsphase Wärme abgibt, wobei weiter im Behälter eine die erste mit der zweiten Wärmedurchgangswand verbindende poröse Masse vorhanden ist, und zwar derart, dass durch diese Masse hinduroh an der zweiten Wärmedurchgangswand kondensiertes Medium durch Kapillarwirkung zur ersten Wärmedurchgangswand zurUckflieasen kann.

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Derartige Vorrichtungen sind z.B. aus den U.S.Patentschriften 3.229.759 und 3.402.767 bekannt. Mit derartigen Vorrichtungen lassen sich grosse Mengen Wärme ohne Temperaturverlust transportieren ohne Verwendung einer Pumpvorrichtung und ohne weitere beweglichen Teile. Flüssiges Wärmetransportmedium, das bei der ersten Wärmedurchgangswand verdampft, bewegt sich in der Dampfphase infolge des dort herrschenden niedrigeren Dampfdruckes wegen der etwas geringeren Temperatur an dieser Stelle zur zweiten Durchgangswand. Danach kondensiert der Dampf an der zweiten Wärmedurchgangswand unter Abgabe der Verdampfungswärme an der Wand, wonach das Kondensat durch die poröse Masse hindurch, wegen Kapillarwirkung unter Verwendung der Oberflächenspannung des Kondensates, zur ersten Wärmedurchgangswand zurückgeführt wird um dort aufs neue verdampft zu werden.

Die poröse Masse sorgt dafür, dass das Kondensat unter allen Umständen von der zweiten zur ersten Wärmedurchgangswand zurückfHessen kann, also sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwerkraftwirkung.

Meistens bestehen die porösen Massen aus keramischen Materialien, gesinterten Metallpulvern, Gazen aus draht- oder bandförmigem Material, Anordnungen aus(Glas)-Fasern oder Röhrchen oder aus Kombinationen derselben.

Die die erste mit der zweiten WSrmedurchgangswand verbindende poröe· Masse kann dabei die Behälterwandoberfläche völlig oder nur teilweise bedecken. Im letzteren Fall kann dabei diese Masse auch derart innerhalb des Behälters angeordnet sein, dass sie nur unmittelbaren Kontakt mit der· beiden Wärmedurohgangswänden hat und die übrigen Behälterwände nicht fearührt.

Damit die poröse Masse innerhalb des Behälters an ihrem

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Platz "bleibt, ist es nach Fig. 4 und 5 öer U.S.Patentschrift 3·5Ο3·438 for einen Behälter mit einer starren Wand und nach Fig. 6 aus "Mechanical Engineering" Nov.1968, Sgite 48-53 "Applications of the heat-pipe" for einen Behälter mit bieg-

aamer Wand bekannt, innerhalb des Behälters eine Schraubenfeder anzuordnen« die als Federelement die poröse Masse gegen die Behälterwand drückt. Eine derartige Bauart bietet mehrere Vorteile. Besteht die poröse Masse beispielsweise aus Gazeschichten, so brauchen diese Gazen nicht mit der Behälterwand varschweisst zu werden. Ein Punktschweiasverfahren an der Innenseite des Behälters ist, insbesondere bei kleinen Durchmessern, schwer durchführbar. Ausserdem wird an den Schweisstellen der Gazestruktur beschädigt, so dass dort kein Transport des Kondensates stattfinden kann. Die Schraubenfeder lässt sich weiter leicht montieren, da sie sich biegen bzw. leicht auf einem Kern anordnen lässt, (wickeln) wobei dann Kern samt Feder in den Behälter gebracht wird, wonach der Kern entfernt wird.

Ein Problem ist jedoch, dass bei den oft hohen Betriebstemperaturen der Wärmetransportvorrichtung die Federkraft der Feder unter dem Einfluss dieser hohen Temperaturen derart abnimmt, gegebenenfalls mit plastischer Dehnung einhergehend, dass die Anpresskraft zu gering wird, und sich die poröse Masse im Betrieb von der Behälterwand löst. Dadurch kann die Kapillarstruktur der porösen Masse derart beeinträchtigt werden, dass diese Masse nicht langer für die Rückfuhr des Kondensates verwendbar ist. Zugleich kann dabei das Lösen zu einer völligen oder teilweisen Sperrung des Kanals, durch den der Transport des Mediumdampfes stattfindet, durch die poröse Masse führen.

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In beiden Fällen wild die Wirkung der Vorrichtung gestört und kann trockenkochen, mit der Folge einer Rissbildung der WSrmeduichgangawand, der Wärme zugeführt wird, auftreten. Löst sich die poröse Hasse auch von der letztgenannten Wand, so kann trockenkochen dort auch auftreten, weil das Kondensat diese Wand nicht mehr erreicht, oder, wenn Kondensat diese Wand wohl erreicht, weil die Wand nicht longer gleichmäasig durch die poröse Masse benetzt wird.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine WSrmetrans-

P por'fvorrichtung zu schaffen, bei der der genannte Nachteil ausgeschaltet ist.

Die erfindungsgemässe WBrmetransportvorrichtung, die einen geschlossenen Behälter enthält, in dem mindestens ein· Federelement angeordnet ist, das durch Federkraftwirkung die poröse Masse gegenüber dem Behälter an ihrem Platz hält, weist dazu das Kennzeichen auf, dass das Federelement innerlich hohl ist und der Hohlraum innerhalb des Elementes einen geschlossenen Raum bildet, in dem sich ein Füllmedium befindet, dessen Druck, ^ wenigstens bei Betriebstemperatur der Vorrichtung, höher ist als der Druck im Behälter und das Federelement unter dem Einfluss des Druckunterschiedes auf die poröse Hasse eine zusätzliche Kraft ausübt zur Beibehaltung der Lage der genannten Hasse innerhalb des Behälters.

Auf diese Weise ist erreicht, dass im Betrieb der Vorrichtung, wenn Kondensat durch die poröse Masse transportiert werden muss, diese Masse an ihrem Platz bleibt, was in vielen Fällen bedeutet: gegen die Behälterwand gedrückt bleibt.

Ist die Vorrichtung ausser Betrieb und auf Zimmertemperatur, so braucht der Druck des Füllraediums im Federelement

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nicht immer höher zu sein als der Druck, der in diesem Falle im Behälter herrscht, aber er kann dann dem Druck im Behälter entsprechen oder sogar niedriger sein als dieser Druck. Einerseits wird die Federkraft des Federelementes bei Zimmertemperatur meistens ausreichen um die poröse Masse an ihrem Platz zu halten, andererseits ist es nicht immer nachteilig, dass die poröse Masse, beispielsweise Gaze, bei Zimmertemperatur nicht kräftig angedrückt wird, weil dann doch kein Transport von Kondensat stattfindet.

Uebrigens ist der Druck im Behälter bei Zimmertemperatur meistens niedrig, da der Behälter oft evakuiert wird, damit der Verdampfungskondensationsprozesa des WSrmetranaportmediums . gut stattfinden kann.

Das Federelement braucht nicht speziell eine Anpresskraft auf die poröse Masse auszuüben (Druckfeder), aber ea ist auch möglich, jene genannte Masse dadurch an ihrem Platz zu halten, dass eine Zugkraft auf dieselbe ausgeübt wird (Zugfeder). Dies hängt selbstverständlich von der Anordnung der porösen Masse innerhalb des Behälters ab.

In beiden Fällen muss daa Federelement derart ausgebildet, bzw. angeordnet sein, dass ein Druckanstieg des Ftillmediuma im Federelement eine Erhöhung der Druck- bzw. Zugkraft auf die poröse Masse zur Folge hat. Bei einer Schraubenfeder beispielsweise kann ein Druokanetieg dea Füllmediums darin eine Vergrösserung dea Durchmesse« der Feder und eine Abnahme der Federlänge zur Folge haben. Die Durchmesaervergröseerung kann zux Vexgxösaerung der auf eine poröae Masse ausgeübten Druckkraft benutzt werden, während die Längenabnahme anwendbar iat, falle die Zugkraft auf eine poröse Maasβ vergxöaaert werden muaa.

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Als Föllmedien konunen viele Stoffe in Betracht, die bei Zimmertemperatur fest, flüssig oder gasförmig sein können» insofern der Dampf- bzw. Gasdruck dieser Stoffe jedenfalls bei Betriebstemperatur der Vorrichtung und gegebenenfalls auch bei Zimmertemperatur höher ist als der Druck im Behälter.

Befindet sich beispielsweise Natrium als Wärmetransportmedium in einem Behälter, der übrigens evakuiert ist, so kann als Füllmedium beispielsweise Kalium oder Zäsium verwendet werden, fe Bei einer günstigen Ausführungsform der erfindungsgemSssen

Vorrichtung ist das Füllmedium ein Inertgas. Dies bietet den Vorteil, dass bei einer unvoraussichtlichen Undichtheit des Federelementes keine chemischen Reaktionen zwischen Wärmetransportmedium und FUllmedium auftreten, so dass die Wirkungsweise der Vorrichtung dann nicht gestört und die Vorrichtung nicht beschädigt wird.

An Hand der Zeichnung, in der beispielsweise eine Ausführungsform der Wärmetransportvorrichtung schematisch und nicht massgerecht dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein geschlossener Behälter angedeutet, mit einerseits einer ersten Wärmedurchgangswand 2 und andererseits einer zweiten Wärmedurchgangswand 3» An der Innenwand des Behälters ist eine poröse Masse 4 angeordnet, die eine Kapillaretruktur aufweist und hier aus Gazenschichten besteht.

Der Behälter enthält ein« geeignet gewählte Menge Natrium als Wärmetransportmedium und ist übrigens evakuiert.

Weiter ist im Behälter eine Schraubenfedsr 5 als Pederelement angeordnet, dl« auf die Gaztnsohichten 4 «ine Druckkraft ausübt, wodurch dies« Schichten gegen die Behälterwand gedzBokt warden.

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Die Schraubenfeder 5 ist innerlich hohl, was an der Stelle 6 bei einem weggeschnittenen Teil näher dargestellt ist. Der Hohlraum innerhalb der Feder bildet einen geschlossenen Raum, in dem eine Menge Argon als Füllmedium vorhanden ist.

Im Betrieb nimmt das flüssige Natrium durch die erste Wärmedurchgangswand 2 hindurch aus einer nicht näher angedeuteten Wärmequelle Wärme auf, wodurch dieses Natrium verdampft· Der Dampf strömt danach zur zweiten Wärmedurchgangswand 3» und zwar infolge des niedrigeren Dampfdruckes an dieser Stelle wegen der etwas geringeren Temperatur, und kondensiert an dieser Wand unter Abgabe der bei der ersten Wärmedurchgangswand 2 aufgenommenen Verdampfungswärme. Das Kondensat strömt durch die als Gazenschichten ausgebildete poröse Masse 4t durch Kapillarwirkung unter Verwendung der Oberflächenspannung des Kondensates, zur ersten Wärmedurchgangswand 2 zurück um von dort aufs neue verdampft zu werden. Die Rückfuhr des Kondensates erfolgt ungeachtet der Lage des Behälters, also sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwerkraftwirkung.

Ist die Betriebstemperatur der Wärmetransportvorrichtung beispielsweise 110O⁰K, so beträgt der Dampfdruck des Natriums im evakuierten Behälter 450 Torr ( 1 Torr=1mm Quecksilberdruck). Duroh eine geeignet gewählte Menge Argon in der Schraubenfeder wird erreicht, dass bei der genannten hohen Temperatur der Argondruck in der Feder höher ist als 45Ο Torr, beispielsweise 2 Atm. Wenn die Federkraft der Schraubenfeder 5 bei der Betriebstemperatur von 1100⁰K nicht ausreicht, um zu gewährleisten, dass die Gazenschichten 4 gegen die Behälterwände gedrückt bleiben, sorgt der Druckunterschied an der Schraubenfeder 5 dafür,

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dasa die Feder dennoch positiv gegen die Gazenschichten gedrückt bleibt. Die letztgenannten liegen dann nach wie vor an den Behälterwänden an, so dass die eingangs erwähnten Probleme nioht auftreten können. Sollte sich eine. Undichtheit der Schraubenfeder 5 dartun, so wird das ausströmende Argon als inertes Gas keine chemischen Reaktionen mit dem Natrium eingehen. Die Wärmetransportvorriohtung wird dann nicht weiter beschädigt.

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Claims (2)

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   PATENTANSPRUECHE:

   Wärmetransportvorrichtung mit einem geschlossenen Bebälter mit einerseits mindestens einer ersten und anderseits mindestens einer zweiten Wärmedurchgangswand, in welchem Behälter sich ein Wärmetransportmedium befindet, das unter Uebergang aus der Fitissigkeitsphase in die Dampfphase Wärme duroh die erste Wärmedurchgangs wand hindurch aufnimmt und unter Uebergang aus der Dampfphase in die Flüssigkeitsphase der zweiten Wärmedurchgangswand Wärme abgibt, wobei im Behälter eine die erste mit der zweiten Wärmedurchgangswand verbindende poröse Masse vorhanden ist, und zwar derart, dass durch diese Masse hinduroh an der zweiten Wärmedurchgangswand kondensiertes Medium durch Kapillarwirkung zur ersten Wärmedurchgangswand zuruckfliessen kann und weiter im Behälter mindestens ein Federelement angeordnet ist, das durch Federkraftwirkung die poröse Masse gegenüber dem Behälter an ihrem Platz hält, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement innerlich hohl ist und der Hohlraum innerhalb des Elementes einen geschlossenen Raum bildet, in dem sich ein Füllmedium befindet, dessen Druck wenigstens bei Betriebetemperatur der Vorrichtung, höher ist als der Druok im Behälter und das Federelement unter dem Einfluss des Druokuntersohiedes an dieser Feder auf die poröse Masse eine zusätzliche Kraft ausübt, damit die genannte Masse innerhalb des Behälters ihren Platz beibehält.
2. 2. Wärmetransportvorrichtung naoh Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium ein Inertgas ist.

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