DE2214740A1 - In einer richtung wirkendes waermerohr - Google Patents

Description

In einer Richtung wirkendes Wärmerohr

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung bestehend aus einer verschlossenen luftleeren Kammer, in der ein die Wärme transportierendes Fluid durch mindestens eine Verdampfungs- und eine Kondensationszone dieser Kammer zirkuliert, wobei die Beförderung der flüssigen Phase des Fluids von der Kondensat!onszone zur Verdampfungszone durch Kapillarkräfte erfolgt und nur in einer Richtung möglich ist.

Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung ist durch die OS 2028 bekannt geworden. Ihr liegt der Gedanke zugrunde, daß eine Umkehrung des Wärmeflusses infolge Temperaturerhöhung der Wärmesenke und/oder Temperaturerniedrigung der Wärmequelle bei zahlreichen Anwendungsfällen unerwünscht ist. Die Umkehrung des Wärmeflusses wird bei dieser bekannten Wärmeübertragungsvorrichtung dadurch ausgeschlossen, daß im Bereich der Wärmesenke, d.h. in der Kondensationszone der Kammer keinerlei Kapillarstruktur vorgesehen ist. Das in der Kondensationszone niedergeschlagenen Fluid gelangt vielmehr allein unter

dem Einfluß der Schwerkraft zu der in der Verdampfungszone angeordneten Kapillarstruktur. Durch Wärmezufuhr dampft das Fluid anschliessend aus der Kapillarstruktur aus, strömt zur Kondensationszone, wo

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es sich unter Abgabe seiner Verdampfungswärme niederschlägt und den Kreislauf von neuem beginnt. Eine Umkehrung des Kreislaufes und damit auch des Wärmeflusses ist ausgeschlossen, da die Kondensationszone infolge der fehlenden Kapillarstruktur nur dann vom Fluid benetzt wird, wenn aus der Verdampfungszone dampfförmiges Fluid entweicht, das sich an der notwendigerweise etwas kühleren Kondensationszone niederschlagen kann.

Bei Vertauschung von Wärmequelle und Wärmesenke, d.h. bei entsprechender Temperaturänderung an der Verdampfungs- und der Kondensationszone kann allenfalls noch das die Kondensationszone benetzende Fluid ausdampfen. Danach bricht der Kreislauf zusammen, da die als Verdampfer fungierende,jedoch kapillarlose Kondensationszone kein weiteres Fluid nachsaugen kann.

Da die Aufrechterhaltung des Kreislaufes bzv/. des Wärmeflusses im gewünschten Richtungssinn nur unter Zuhilfenahme der Schwerkraft möglich ist, bleibt die Anwendung dieser bekannten Wärmeübertragungsvorrichtung im wesentlichen auf solche Einbaufälle beschränkt, wo die Kondensationszone etwa vertikal oberhalb der Verdampfungszone sitzt, d.h., wo Wärmeenergie von unten nach oben transportiert werden soll. Mit zunehmender Querlage der Wärmeübertragungsvorrichtung nimmt deren Leistung rapide ab und wird bei waagerechtem Einbau nahezu Null. Ein v/eiterer Nachteil dieser bekannten Wärmeübertragungsvorrichtung liegt darin, daß ein Einsatz im Weltraum, für den die eingangs geschilderten Wärmeübertragungsvorrichtungen wegen des Fehlens beweglicher Teile besonders prädestiniert sind, ausgeschlossen ist, da zur Aufrechterhaltung des Fluidkreislaufes die Schwerkraft erforderlich ist. Schließlich ergibt sich wegen der fehlenden Kapillarstruktur in der Kondensationszone eine ungleich-

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mäßige Zuleitung des Kondensats in die VerdampfungszoneAmd die Gefahr lokaler überhitzungen. Außerdem wird durch die ungleichmäßige Verteilung des Fluids die Leistung der Wärmeübertragungsvorrichtung verschlechtert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit nicht umkehrbarem Wärmefluß zu schaffen, die vom Vorhandensein der Schwerkraft unabhängig ist. Dabei soll die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung ohne bewegliche Teile auskommen, so daß ein Einsatz im Weltraum keine Schmierungsprobleme aufwirft und schließlich soll eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Fluids· längs des Kammerquerschnittes gewährleistet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Kondensationszone eine Kapillarstruktur angeordnet ist, deren Kapillarwirkung wesentlich geringer ist als die der Kapillarstruktur in der Verdampfungszone.

Durch das Anbringen der Kapillarstruktur an sich wird zunächst sichergestellt, daß bereits unmittelbar in der Kondensationszone Kapillarkräfte wirken. Der Transport des Kondensats erfolgt somit vom Augenblick seiner Entstehung an durch Kapillarkräfte, so daß das Vorhandensein der Schwerkraft überflüssig ist.

Gleichzeitig bedingen die Kapillarkräfte eine gleichmäßige Verteilung des anfallenden Kondensats über den Kammerquerschnitt und schaffen die Voraussetzung für eine gleichmäßige Flüssigkeitszufuhr zur Verdampfungszone. Denn bei ungleichmäßigem Kondensatanfall stellen sich in der Kapillarstruktur Menisken unterschiedlicher Höhe

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ein, die nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren einem Ausgleich zustreben.

Durch die relativ geringe Kapillarwirkung der in der Kondensationszone befindlichen Struktur wird in-der flüssigen Phase des Fluids ein Druckgefälle zwischen Kondensations- und Verdampfungszone erzeugt, derart, daß die aufgrund geringerer Poren- oder Maschenweite wesentlich größere Kapillarkraft in der Kapillarstruktur der Verdampfungszone in der Lage ist, Flüssigkeit aus der relativ groben Kapillarstruktur der Kondensationszone abzusaugen. Die Größe dieses Druckgefälles hängt u.a. vom Material und der Poren- oder Maschenweite der Kapillarstruktur sowie von dem verv/endeten Fluid ab und ist so zu bemessen, daß sie-bei obenliegender Anordnung der Verdampfungszone zumindest gleich dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule zwischen Verdampfungs- und Kondensationszone ist. Bei einer derartigen Bemessung ist sichergestellt, daß bei einer Umkehrung des Wärmestromes der Kreislauf des Fluids zusammenbricht.

Wird beispielsweise die Temperatur an der Kondensationszone über die der Verdampfungszone hinaus erhöht, so dampft zwar zunächst das in der Kondensationszone befindliche Fluid aus. Da jedoch infolge des Druckgefälles zur Verdampfungszone kein Fluid nachfließen kann, kommt der Kreislauf zum Erliegen.

Zusammenfassend kann die erfindungsgernäße Vorrichtung als thermische Diode, die im Gegensatz zu entsprechenden bekannten Vorrichtungen unter beliebigen Einbauwinkeln und unabhängig vom Schwerkraft-Einfluß zu betreiben ist, bezeichnet werden.

Zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts für die flüssige Phase

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des Fluids können die Kapillarstrukturen teilweise über in der Kammerwandung angebrachte Längsnuten oder in einem gewissen konstanten Abstand zur Kammerwand angeordnet sein.

Weitere Vorteile und Merkmale des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand einer Zeichung; darin zeigt

Fig. 1: die erfindungsgemäße Vorrichtung in

schematischer Darstellung, wobei zwischen Kondensations- und Verdampfungszone eine Transportzone zwischengeschaltet ist

Fig. 2a, b_f c:

das Verhältnis der Maschengrößen der in Fig. 1 verwendeten Netzstrukturen zueinander

Fig. 3: eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit Längsnuten im Querschnitt

Fig. 4: eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem

Ringspalt zwischen Kammerwand und Netzstruktur im Querschnitt

Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung ist als zylindrisches, verschlossenes Rohr 1 ausgebildet und weist eine Verdampfungszone la, eine Transportzone Ib und eine Kondensationzone Ic auf. Die Verdampfungszone la ist von einer scHmetisch angedeuteten Wärmequelle 2, die Kondensationsζone lc von einer entsprechenden Wärmesenke 3 umgeben.in seinem Innern ist das Rohr mit Netzstrukturen 4, 5 und 6 ausgekleidet. Die Figuren 2a bis 2c geben einen

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Überblick über das ungefähre Verhältnis der Maschengrößen relativ zueinander. Die Maschengröße bewegt sich bei der in der Verdampfungs- und in der Transportzone verwendeten Netzstruktur 4 bzw. 5 in einem Bereich von etwa 50 bis 120 Maschen je Zentimeter und bei der in der Kondensationszone verwendeten Netzstruktur 6 von etwa bis 30 Maschen je Zentimeter. Die Wirkungsweise ist folgende: Ein nach den Betriebstemperaturen der Wärmeübertragungsvorrichtung ausgewähltes Fluid befindet sich in einer solchen Menge in dem Rohr 1, daß es dessen Netζstrukturen 4 bis 6 benetzt. Durch Wärmezufuhr von der Wärmequelle 2 erhöht sich die Temperatur in der Verdampfungszone 1 a bis zur Verdampfungstemperatur des Fluids. Dieses dampft aus der Struktur 4 aus und strömt durch das Rohrinnere zur Kondensationszone Ic, wo es infolge der unterhalb der Verdampfungstemperatur liegenden Wandtemperatur an der Netzstruktur 6 unter Abgabe seiner Verdampfungswärme an die Wärmesenke 3 kondensiert.

Durch den VerdampfungsVorgang sinkt der Meniskus in der Netzstruktur 4ab, die deshalb über die Netzstruktur 5 neues Fluid aus der Netzstruktur 6 absaugt, womit sich der Kreislauf des Fluids schließt.

Der Netzstruktur 6 kommt im wesentlichen die Aufgabe zu, die Kapillarkräfte der Netzstruktur 4 unmittelbar in der Kondensationszone angreifen zu lassen, so daß auf die Transportwirkung der Schwerkraft verzichtet werden kann und für eine gleichmäßige Kondensatverteilung über den Querschnitt des Rohres 1 zu sorgen. Hierfür genügt eine im Vergleich zur Netzstruktur 4 relativ geringe Kapillarität.

Bei Vertauschung von Wärmequelle und Wärmesenke ist diese geringe Kapillarwirkung der Netzstruktur 6 nicht in der Lage, neues Fluid aus der feinporigen Netzstruktur 4 abzusaugen, so daß die Entstehung

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eines Kreislaufes in umgekehrtem Richtungssinn ausgeschlossen ist.

Die Transportzone Ib kann zur Verminderung des Strömungswiderstandes in der Netzstruktur 5 zweckmäßigerweise etwas weitere Maschen aufweisen als die Netzstruktur' 4, wie Fig. 2a, b zeigt.

Selbstverständlich kann in dem Sonderfall nahe benachbarter Wärmequelle und Wärmesenke auf die Transportsone Ib versichtet werden.

In Fig. 3 und 4 ist der Strömungsquerschnitt für die flüssige Phase in der Transportzone durch in der Kammerwand angebrachte Längsnuten bzw. durch einen Ringraum 8 vergrößert worden.

An Stelle der gezeigten Netzstrukturen können auch andere Kapillarstrukturen, beispielsweise poröse Sinterwerkstoffe verwendet werden.

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Claims (4)

7 ? 1 ζ. 7 A O Ansprüche

1. Wärmeübertragungsvorrichtung bestehend aus einer verschlossenen luftleeren Kanuner, in der ein die Wärme transportierendes Fluid durch mindestens eine Verdampfungs- und eine Kondensationszone dieser Kammer zirkuliert, wobei die Beförderung der flüssigen Phase des Fluids von der Kondensationszone zur Verdampfungszone durch Kapillarkräfte erfolgt und nur in einer Richtung möglich ist,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensationszone (Ic) eine Kapillarstruktur (6) angeordnet ist, deren Kapillarwirkung wesentlich geringer ist als die der Kapillarstruktur (4) der Verdampfungszone (Ib) .

2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kap.illarstrukturen teilweise über an der Kammerwandung angebrachten Längsnuten (7) angeordnet sind.

3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstrukturen teilweise in einem gewissen

Abstand zur Kammerwand angeordnet sind.

4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zwischen Kondensations- und Verdampfungszone befindlichen Transportzone (Ib) eine Kapillarstruktur (5) zur Anwendung kommt, deren Kapillarwirkung zwischen denjenigen der beiden benachbarten Kapillarstrukturen (4,6) liegt.

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