DE2255363A1

DE2255363A1 - Waermerohr

Info

Publication number: DE2255363A1
Application number: DE2255363A
Authority: DE
Inventors: George Albert Apoloni Asselman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-11-11
Publication date: 1973-06-14
Also published as: GB1395207A; JPS5340984B2; JPS4865545A; CA961030A; NL7116620A; FR2162097B1; FR2162097A1; US3797086A

Description

FHN. 6020.

boss/rv.

Df.Her!»ert Seholi

.N.Y. Philips Giuuuompenfabrlefeen

Akt« No.* PHN- 6020
«ra, 9c NOV. J972 - -

"Wärmerohr". ■

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschliesser;

eines Wärmerohrs, wobei eine AbdichtsteMe abgedichtet wird, die dabei auf zumindest ihre Erweichungstemperatur erwärmt wird.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einem Wärmerohr eine Wärmetransportanordnung verstanden, die aus einem Behälter besteht, in dem sieh ein Wärmetransportmedium, etwa Natrium befindet, das einerseits aurch eine Wand des Behälters hindurch Warme aus einer Wärme-

It

quelle aufnimmt unter Übergang von der flüssigen Phase Ln die Dampfphase und andererseits durch eine andere Wand des Behälters hindurch Wärme nach aussen abgibt unter Übergang von der Dampfphase in die flüssige Phase.

Hit einem derartigen Wärmerohr können trosse Wärmeme'ngen nahezu ohne Temperaturgefälle und ohne Pumpvorrichtung"oder andere sich bewegende Teile transportiert werden/" ' .

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Die Rückfuhr des kondensierten Wärmetransportniediums zur Wand, an der die Verdampfung auftritt, kann unter Einfluss der Schwerkraft erfolgen. Häufig ist jedoch im Wärmerohr eine Kapillarstruktur vorhanden, die die Kondensationswand mit der Verdampfungswand verbindet, und durch die hindurch Kondensat aufgrund der Kapillarwirkung unter allen Umständen zur Verdampfungswand zurückgeführt wird. Die fiückfuhr orfolgt mithin auch entgegen der Schwerkraft oder ohne dasa ein Schwerkraftfelii vorhanden ist.

Wärmerohre, die mit einer Kapillarstruktur VUr d\< fiückfuhr von Kondensat versehen sind, sind beispielsweise aus den U..'.A. Patentschriften 3.229.759 und 3.402.76? bekannt.

Damit das Wärmerohr eine gute Wirkungsweise hat, it;t es erwünscht, alle Fremdgase, u.a. Luft, aus dem Wärmerohr zu -ritfernen. Derartige Oase können nämlich einige Schwierigkeiten bereiten. Sie können etwa die Kondensation des Wärmetransportrnediums an der >'oti:if>nsatioriswand behindern, da diese Wand mit einer Gazeschicht bedeckt itst, oder ^Lckönnen chemische Reaktionen mit dem Wärmetransportmedium, dem Material df>r Kapillarstruktur oder dem der Wärnierohrwände bilden.

Unerwünschte Gase, die während der häufig hohen Betriebstemperatur des Wärmerohrs aus den Wärmerohrwänden oder der FapilLarstruktur frei werden, können von vornherein gross ten te LLs dadurch a LLmi .niert worden, dass das Wärmerohr einer Wärmebehandlung un ι. erzogen wird, <--tw^!· Ausglühen in einem Vakuumofen, bevor es mit Wärmt? transpor tineu Lum gefüllt und danach abgeschlossen wird.

Das Absohl Lessen des Wärmerohrs kann rät Hilfe von Absperrhähnen erfolgen. Einerseits wird hierdurch das Wärmerohr verhJi 1 tni :;ni'is i .·^ρ kostspielig, andererseits wird häufig keine hermetische Ablichtung er-

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zielt, da der Absperrhahn leicht Undichtigkeiten aufweist. Unerwünschte Gase lecken dann in das Wärmerohr hinein, und sie können dann wiederum die bereits genannten Schwierigkeiten verursachen»

Da das Abschliessen des Wärmerohrs in den meisten Fällen nur einmal stattfindet, wird vorzugsweise ein Abdichtungsverfahren wie Abschmelzen, Löten oder Schweissen angewendet, wobei die abzudichtende ' Stelle durch Erwärmung auf zumindest ihre Erweichungstemperatur* die für die Abdichtung erwünschte Form erhalten kann (etwa Einschnürung einer ■ Tülle bzw. eines Pumpstutzens). · .

Ein Problem ist, auf einfache Weise eine hermetische Abdichtung eines Wärmerohrs zu erhalten., das ein Wärmetransportmedium enthält und im übrigen evakuiert, mithin von unerwünschten Gasen befreit ist.

Beim Abdichten in einer Umgebung von atmosphärischem Druck tritt bei Erweichung der abzudichtenden Stelle bei Vakuum im Wärmerohr leicht eine Implosion des Wärmerohrs an der genannten Stelle auf. Weiter besteht die Gefahr, dass Gase,wie Luft über die abzudichtende Stelle in das Wärmerohr einströmen und das Vakuum zerstören. Ausserdem nimmt das evakuierte Wärmerohr infolge der Erwärmung der abzudichtenden Stelle häufig eine derart hohe Temperatur an, dass sich schwierig mit dem Wärmerohr arbeiten lässt.

Es ist möglich, die genannten Nachteile zu beseitigen, wenn die Abdichtung mittels Elektronenstrahlschweissen, bzw. Löten in einer Vakuumumgebung hergestellt wird. Ein derartiges Verfahren ist zeitraubend und kostspielig und macht ausserdem teure Apparaturen erforderlich. Bei Verwendung "von Elektronenstrahlschweissapparatur, wie sie etwa aus der U.S.A. Patentschrift 3·Ο33·974 bekannt ist, kann jeweils nur ein Wärmerohr in der Apparatur geschweisst werden. Das Wärmerohr muss

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dabei in der Behandlungskammer genau angeordnet sein. Nach dem Vakuumsaugen der Behandlungskammer kann das Elektronenstrahlschweiseen erfolgen. Nachdem das Vakuum in der Behandlungskammer aufgehoben ist, kann das Wärmerohr daraus entfernt werden.

Angesichts des Zeitaufwands beim Elektronenstrahlschweissen und angesichts der erforderlichen kostspieligen Apparatur iet dieses Verfahren nicht wirtschaftlich.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein einfaches und preisgünstiges Verfahren zu schaffen, bei dem ohne Implosionsgefahr auf bequeme Art und Weise hermetisch abgedichtete und, abgesehen von der Wärmetransportmediumfüllung, evakuierte Wärmerohre erzielt werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr nach der Evakuierung unerwünschter Gase mit Wasserstoff gefüllt und danach abgedichtet wird, wonach der Wasserstoff durch Diffusion durch die Wand des Wärmerohrs hindurch zur Umgebung abgeleitet wird.

Wegen der Wasserstoffüllung besteht,nun keine Implosionsgefahr des Wärmerohrs beim Abdichten in einer Umgebung, in der sich der Umgebungsdruck an der abzudichtenden Stelle bemerkbar macht. Das Abdichten kann mithin einfach und leicht in der normalen atmosphärischen Umgebung stattfinden.

Ausserdem sorgt der Wasserstoff während des Abdichtens dafür, dass die Temperatur des Wärmerohrs nicht zu hoch wird, da eine Verdampfung des Wärmetransportmediums und eine Strömung des Mediumdampfs zu den kälteren Rohrteilen vermieden wird. Das Wärmerohr bleibt dann handlich. Das Abdichten kann mithin auf handwerklich"·η Wege erfolgen.

Schliesslich wird auf einfache Weise letzlich wieder ein

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evakuiertes Wärmerohr dadurch erhalten, dass man Wasserstoff vom. Wärmerohr aus in die Umgebung diffundieren lässt« Es hat sich nämlich gezeigt _t dass alle einschlägigen Wärmerohrmaterialien eine Diffusion von Wasserstoff durch die Rohrwände zulassen. Zur Herstellung von Wärmerohren verwendete Materialien sind etwa Glas, Keramik, Stahl, die Metalle Kupfer, Aluminium, Molybdän, Niob_s Zirkon, Wolfram, Tantal, Rhenium und Legierungen derselben.

Der Wasserstoff kann in Gasform in das Wärmerohr eingeführt werden. Gewünschtenfalls kann jedoch·ebenfalls flüssiger Wasserstoff zugeführt werden, der im Wärmerohr verdampft und wegen seijaer niedrigen Tempera tür eine zusätzliche Kühlung des Wärmerohrs lieferte

Bei einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemSssen Verfahrens ist der Wasserstoffdruck im Wärmerohr wahrend des Abdichtens gleich oder nahezu gleich dem Umgebungsdruck.

Der Umgebungsdruck ist meistens der atmosphärische Druck, dies braucht jedoch nicht immer der Fall zu sein,, Da jetzt die Drücke au beiden Seiten der abzudichtenden Stelle gleich oder nahezu gleich sind, besteht weder eine Implosions-, noch eine Explosionsgefahr_s und es wird eine gute Abdichtung erzielt»

Der Wasserstoff im Wärmerohr verschwindet von hier aus durch Diffusion durch die Wärmerohrwände hindurch in die Umgebung« In Abhängigkeit vom Wärmerohrmaterial und' dessen Temperatur ifird diese Wasserstoff diffusion mehr oder weniger schnell stattfinden» Um die Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff zu erhöhen, wird nach der Erfindung das Wärmerohr.erhitzt. Durch Erhitzung steigt die Wandtemperatur d@s Wärmerohrs an und nimmt der Wasserstoffdruck innerhalb des Wärmerohrs ,zuo Beide Faktoren haben einen günstigen Einfluss auf dia Wasserst of fdiffu»»

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sionsgeschwindigkeit.

Wenn die nominale Betriebstemperatur dee Wärmerohrs so hoch liegt, dass eine derartige Temperatur einen positiven Beitrag zur Erhöhung der Wasserstoffdiffusionsgeschwindigkeit liefern kann, so kann das Wärmerohr waaserstoffrei gemacht werden, indem es unter den angestrebten normalen praktischen Umständen betrieben wird.

Wie bereits erwähnt wurde» hangt die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs vom Material des Warraerohrs ab. Nun kann es im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit, Betriebstemperatur, Af. .nität für Wärmetransportmedium usw. de» WSriiiarohrmateriale oder aus herstellungstechnischen Gründen erwünscht oder erforderlich sein, als Ausgangsmaterial ein Material zu wählen, dass eine verhältnismSssig niedrige Durchlässigkeit für Wasserstoff besitzt.

Nach der Erfindung kann dennoch eine Erhöhung der Wasserstoff diffusion erhalten werden, wenn ein Wärmerohr verwendet wird, bei dem ein Teil des Materials mit verhältnisraässig niedriger Durchlässigkeit für Wasserstoff durch ein vorzugsweise die Form eines Fensters aufweisendes Material ersetzt wird, das eine grSssere Durchlässigkeit fUr Wasserstoff hat.

Materialien, durch die hindurch Wasserstoff mit grosser Geschwindigkeit diffundieren kann, namentlich bei höheren Temperaturen (ober 600^#C), sind Palladium oder dessen Legierungen, wie Silberpalladium und (in etwas geringerem Masse) Nickel oder dessen Legierungen, etwa Nickel-Eisen-Legierungen. Durch Anwendung dieser Materialien als Fenster in Wärmerohren, die aus einem Material mit verhältnismässig niedriger Durchlässigkeit für Wasserstoff bestehen, erhält man den grossen Vorteil, dasa der Wasserstoff bei Erhitzung in eehr kurzer Zeit über das Fenster

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aus dem Wärmerohr vertrieben wird. .

Die Erfindung "betrifft fexner Wärmelehre, die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sind_o ^

Anhand einiger, in der sehematischen und. nicht massisab-

gerechten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele xiird die Erfindung näher erläutert.

In Fig. 1a ist mit der Besugsziffer 1 ein Wärmerohr aus

rostfreiem Stahl angegeben, das Bat einem Nickelfenster 2 und einem Füllansatz J versehen ist. Die Innenwand des Rohrs ist mit einer aus Gazeschichten bestehenden Kapillarstruktur 4 bedeckt. .

An den Füllansatz 3 sehliesst sich eine Leitung 5 an, In der sich ein Dreiweghahn 6 befindet» Mit Hilfe des Dreiweghahns 6 kann das Wärmerohr 1 wahlweise mit einer Vakuumpumpe 7 oder einer Wasserstoffflasche 8 in Verbindung gebracht werden, die mit Wasserstoff unter Druck gefüllt und mit einem.Druckverringerungsventil 9 versehen ist»

Im Wärmerohr 1 befindet sich Natrium als Wärmetransportmedium, das beispielsweise über einen Destillierungsvorgang in das Wärmerohr eingeführt sein kann. ""-"".-

Vor dem Füllen mit Uatrium ist das Wärmerohr 1 unter

gleichzeitiger Evakuierung durch die Vakuumpumpe 7 ausgeheizt worden, um alle unerwünschten Gase aus dem Wärmerohr zu entfernen. Gewünschtenfalls kann auch nach dem Füllen mit Natrium noch einmal ausgeheizt werden, so dass dann ausserdem unerwünschte, aus dem Natrium frei werdende Gase abgesaugt, werden.

Danach wird das Wärmerohr einmal oder mehrmals mit Wasserstoff aus der Wasserstofflasche 8 gespült, wobei nach jeder Spülung der Wasserstoff durch die Vakuumpumpe 7 abgesaugt wird. Das Wärmerohr 1,wird

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mit Wasserstoff von etwa 1 atm. gefüllt und der Püllansatz 3 wird abgedichtet, in diesem Fall durch Einschnürung und AbSchmelzung. Beidseitig dee Ftillansatzes 3 herrschen nahezu gleiche Drücke, so dass das Abschmelzen mühelos, ohne Implosionsgefahr verläuft und eine gute Abdichtung erzielt wird.

Der Wasserstoff im Wärmerohr 1 sorgt dafür, dass die Temperatur des Wärmerohrs beim Abschmelzen niedrig bleibt. Der Wasserstoff behindert nämlich die Verdampfung des Wärmetransportmediums, so dass Mediumdampf nicht an kälteren Wandteilen kondensieren kann. Dadurch lässt sich weiterhin gut mit dem Wärmerohr arbeiten. Nach dem Abdichten wird das Wärmerohr erhitzt. Im vorliegenden Fall erfolgt dies mit einer elektrischen Heizspirale 10, die in Fig. 1b dargestellt ist. Das Nickelfenster 2 und die Wände des Wärmerohrs 1 erhalten dabei eine hohe Temperatur. Der Wasserstoffdruck im Wärmerohr steigt an. Wasserstoff diffundiert nun mit grosser Geschwindigkeit durch das Nickelfenster 2 hindurch nach aussen. Ausserdem erfolgt eine Diffusion von Wasserstoff durch die rostfreien Stahlwände des Wärmerohrs hindurch, wenn auch mit viel geringerer Geschwindigkeit als beim Nickelfenster. Innerhalb weniger Minuten ist das Wärmerohr wasserstoffrei und gebrauchsfertig für den Normalbetrieb.

Bei Normalbetrieb des Wärmerohrs wird (Fig. 1c) dem Rohrteil A Wärme zugeführt. Das Natrium innerhalb des Wärmerohrs verdampft und strömt in der Dampfphase zum Rohrteil B, weil dieser Teil eine etwas niedrigere Temperatur hat, so dass an der Stelle des Rohrteils B ein niedrigerer Dampfdruck herrscht. Natriumdampf kondensiert am Rohrteil B unter Abgabe von Wärme an diesen Teil. Das Kondensat wird durch die durch Gazeschichten gebildete Kapillarstruktur 4 aufgrund der Kapillarwirkung zum Rohrteil A zurückgeführt, um dort erneut verdampft zu werden.

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Sollte noch etwas Wasserstoff im Wärmerohr zurückgeblieben sein, so wird dies durch den Natriumdampf in Richtung des Nickelfensters 2

Il

getrieben. Über Diffusion durch das Fenster 2 hindurch verschwindet dieser übriggebliebene Wasserstoff in die Umgebung.

Obwohl sich das Fenster 2 hier in einer Endfläche des Wärmerohrs befindet, sind selbstverständlich allerhand andere Stellen möglich.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE :

Γ1Λ Verfahren zum Abschliessen eines Warmerohrs, wobei eine

Abdichtstelle abgedichtet wird, die dabei auf zumindest ihre Erweichungstemperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dasu das Wärmerohr
nach der Evakuierung unerwünschter Gase mit Wasserstoff gefüllt und
danach abgedichtet wird, wonach der Wasserstoff durch Diffusion durch
die Wand des Wärmerohrs hindurch zur Umgebung abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffdruck im Wärmerohr während des Abdichtens gleich oder
nahezu gleich dem Umgebungsdruck ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärnierohr zur Förderung der Wasserstoffdiffusion zur Umgebung erhitzt wird.
4. Wärmerohr, hergestellt nach dem '/erfahren nach Anspruch I, 2 oder 3.
5. Wärmerohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr mit einem Fenster aus einem Material versehen ist, das
eine grb'ssere Durchlässigkeit für Wasserstoff besit,st tila das Material des Wärinerohrs.
6. Wärmerohr nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster aus Nickel oder piner Legierung von Nickel besteht, wie
einer Eisen-Nickel-Legierung.
7. Wärmerohr nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster aus Palladium oder einer Legierung, wie einer üilber-Palladiurn-Legierung, besteht.

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