DE2724309A1 - Vorrichtung zur regelbaren temperaturuebertragung - Google Patents

Vorrichtung zur regelbaren temperaturuebertragung

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Description

DORNIER SYSTEM GMBH
7990 Friedrichshafen
Reg. S 286
Vorrichtung zur regelbaren Temperatur-Übertragung
Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zur regelbaren TemperaturUbertragung mittels Wärmerohr.
Bekanntlich ist ein Wärmerohr ein hochwirksames Instrument zum Wärmetransport und zur Wärmeübertragung, das aus einem vakuumdichten Behältnis, meist einem an seiner Innenwand mit einer Kapillarstruktur versehenen Rohr besteht. Zur Übertragung der Wärme enthält das Wärmerohr ein Medium mit relativ hohem Dampfdruck, das während des Wärmetransportes einem kontinuierlichen Verdampfungs-Kondensationsprozeß unterliegt. Der in der Heizzone durch Zuführung von Verdampfungswärme erzeugte Dampf strömt im Über der Kapillarstruktur befindlichen freien Raum zur Kühlzone, kondensiert dort und gibt dabei Kondensationswärme ab. Das dadurch entstehende Kondensat fließt, je nach Lage des Wärmerohres, teilweise aufgrund der Schwer- oder Kapillarkraft in der Kapillarstruktur zur Heizzone zurück. Die dadurch Übertragene Wärmeleistung und die Wärmerohrtemperatur richten sich dabei nach dem in der Heiz- und Kuhlzone vorhandenen Wärmeübergangswiderstand. Der
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Wunsch, die Wärmeleitung und Wärmerohrtemperatur zu steuern bzw. regeln, führte zu gasgesteuerten Wärmerohren, wie ein solches aus der US-PS 3 958 627 bekannt ist. Es handelt sich dort um ein transversales variables Wärmerohr, bestehend aus einer geflochtenen geschlossenen Umhüllung, einer inneren Wand fUr den Richtungswechsel des Dampfstromes, einer verdampfbaren Flüssigkeit und einem mit nicht kondensierbarem Gas (Inertgas) gefüllten Behälter. Die Wirkungsweise beruht hierbei auf einer teilweisen Blockierung der Kühl- und Transportzone durch das Inertgas, wobei die Heizzone davon unberührt bleibt. Die teilweise Blockierung der Kuhlzone hat einen erhöhten Wärmewiderstand in der KUhlzone zur Folge, was bei gleichbleibend gutem Wärmeübergang in der Heizzone zu einer Temperaturerhöhung des Wärmerohres und zu geringerer übertragbarer Wärmeleistung fuhrt. Die Verschiebung der blockierenden inerten Gasfront in der KUhlzone wird durch Änderung der Temperatur des Behälters bzw. des darin enthaltenen Inertgases geregelt. Dabei bleibt der Wärmewiderstand zwischen der Wärmequelle und dem Wärmerohr konstant.
Der Nachteil eines derartigen Wärmerohres ist, daß mit zunehmender Blockierung der KUhlzone durch das Inertgas die Temperatur des Wärmerohres derart ansteigt, daß bei nahezu unterbrochenem Wärmefluß die Wärmerohrtemperatur annähernd gleich der Temperatur der Wärmequelle ist. Der dabei entstehende hohe Innendruck, der dem Dampfdruck der verwendeten flüssigkeit bei der hohen Wärmerohrtemperatur entspricht,
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kann zum Bersten des Wärmerohres oder Zersetzen der Flüssigkeit führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine regelbare Temperaturübertragung mittels eines Wärmerohres ermöglicht wird, wobei dessen Temperatur beim Vermindern der Übertragenen Wärmeleistung wesentlich unter der Temperatur der Wärmequelle bleiben sollte.
Erfindungsgemäß sind zur Lösung dieser Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden Unteransprüche vorgesehen.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß der Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und Wärmerohr variabel ist und dadurch die Temperatur des Wärmerohres beim Vermindern der Übertragenen Wärmeleistung wesentlich unter der Temperatur der Wärmequelle bleibt. Die Wärmeaufnahme wird dabei in der Heizzone des Wärmerohres geregelt und nicht, wie bisher, die Wärmeabgabe in der Kühlzone. Damit ist auch eine Entlastung des Gesamtsystems verbunden und es sind Störungen durch Blockieren oder Bersten des Wärmerohres ausgeschlossen.
Relevante Lösungen sind:
a) die Anordnung eines festen Stoffes mit stark temperaturabhängigem Wärmewiderstand in der Heizzone zwischen Wärmequelle und Wärmerohr.
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Hier ist bei konstanten Verhältnissen in der Kühlzone die Zunahme der übertragenen Wärmeleistung und der Wärmerohrtemperatur durch den schnell ansteigenden Wärmewiderstand gedämpft.
Für einige dafür in Frage kommenden Stoffe sei folgend die Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen angegeben:
Stoff Temperatur Wärmeleitfähigkeit
\ W/cm °K
Intermetallische Ver- 373 0,202
(Indium-Arsen)
(InAs)		 578
885		 0,121
0,084
Aluminiumoxid 500 0,2
(Al2O3) 800 0,1
1000 0,08
Berylliumoxid
(BeO)		 500
800		 1,4
0,72
Silicon 300 1,4
600 0,6
1000 0,3
Stahl 303 0,688
473 0,451
773 0,231
Magnesiumoxid 500 0,25
(Mg0) 800 0,15
Bei den hier aufgeführten Stoffen verringert sich die Wärmeleitfähigkeit bei einem Temperaturanstieg um 300°K etwa um die Hälfte.
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Da eine solche Vorrichtung passiv arbeitet, ist sie nicht von außen zu regeln. Trotz ihres relativ ungünstigen Regelverhaltens hat sie den Vorteil eines sehr einfachen Aufbaus.
b) Ausnutzung des Sprunges in der Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes beim Phasenwechsel fest-flüssig. Hierdurch sind wesentlich günstigere Ergebnisse erzielbar. Dabei wird zwischen Wärmequelle und Wärmerohr in einem vakuumdichten Gefäß ein Stoff angeordnet, dessen Schmelzpunkt zwischen der gewünschten Betriebstemperatur des Wärmerohres und der Temperatur der Wärmequelle liegt, und der ausserdem beim Phasenwechsel fest-flüssig einen hohen Sprung in der Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Stoffe, die ihre Wärmeleitfähigkeit am Schmelzpunkt stark ändern sind:
Stoff Schmelztemperatur Wärmeleitfähigkeit am
o„ Schmelzpunkt W/cm K
fest flüssig
Kalium (K) 336 1 0,35
Natrium (Na) 371 1,2 0,88
Zinn (Sn) 505 0,6 0,3
Aluminium (Al) 932 2 0,9
Eine solche Vorrichtung arbeitet ebenfalls passiv. Das Regelverhalten ist hierbei gegenüber festen Stoffen ohne Phasenwechsel wesentlich besser. Ein Temperaturanstieg der Wärmequelle ist auch
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hier noch mit einem Temperaturanstieg des Wärmerohres verbunden.
Er ist jedoch gegenüber fest bleibenden Stoffen wesentlich geringer.
c) Findet dagegen der Wärmeübergang von der Wärmequelle zum Wärmerohr in einer Flüssigkeit statt, wobei noch der Phasenwechsel flüssiggasförmig ausgenutzt werden kann, so ist mit einer solchen Vorrichtung eine exakte, sowohl passive als auch aktive Temperaturregelung des Wärmerohres möglich. Hierbei wird der Wärmewiderstand in der Heizzone des Wärmerohres dadurch geändert, daß die Höhe des Flüssigkeitsspiegels geändert wird, wodurch die benetzten Oberflächen von Wärmerohr und Wärmequelle geändert werden.
Ausfuhrungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur regelbaren Temperaturübertragung mit in der Heizzone eines Wärmerohres angeordnetem festen Stoff,
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit in der Heizzone eines Wärmerohres angeordnetem Stoff mit Phasenwechsel fest-flüssig,
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 mit in der Heizzone
eines Wärmerohres angeordnetem Stoff mit Phasenwechsel flüssiggasförmig und zur Niveauregelung des Stoffes angeschlossenem Pumpzylinder mit mechanisch angetriebenem Kolben,
Fig. 3a zeigt einen an die Vorrichtung nach Fig. 3 zur Niveauregelung ersatzweise anschließbaren mechanisch angetriebenen Balg,
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Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 jedoch mit einem von seinem Umgebungsdruck beaufschlagten Kolben,
Fig. 4a, b, c, d zeigen Ausführungsformen von ersatzweise anschließbaren Gefäßen zur Niveauregelung gemäß Fig. 4.
In Fig. 1 ist eine passiv arbeitende Vorrichtung 1 in einfachster Ausfuhrung zur regelbaren Temperatur mittels eines Wärmerohres 2 schematisch dargestellt. Das Wärmerohr 2 ist an seinem unteren Ende als Heizzone 3 und an seinem oberen Ende als Kühlzone 4 ausgebildet. Die Heizzone 3 ist einer Wärmequelle 5 benachbart. Dazwischen ist ein fester Stoff 6 mit stark temperaturabhängigem Wärmewiderstand angeordnet. Die von der Wärmequelle 5 der Heizzone 3 zugeführte Wärme wird Über die Transportzone 7 des Wärmerohres 2 an die Kühlzone 4 hin Übertragen.
Durch die Verwendung eines festen Stoffes als Regulator für die Übertragung von Wärme von einer Wärmequelle zur Heizzone eines Wärmerohres wird die Zunahme der Übertragenen Wärmeleistung und der Wärnerohrtemperatur durch den damit verbundenen raschen Anstieg des Wärmewiderstandes gedämpft. Voraussetzung dazu ist, daß in der Kühlzone konstante Verhältnisse herrschen.
In Fig. 2 ist zwischen einer Wärmequelle 5 und der Heizzone 3 eines Wärmerohres 2 mit Kühlzone 4 in einem vakuumdichten Gefäß 8 ein Stoff 9 mit Phasenwechsel fest-flüssig angeordnet.
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Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist gleichfalls passiv, wobei das Regelverhalten durch den Phasenwechsel des dazu verwendeten Stoffes gegenüber der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung verbessert ist. Der Schmelzpunkt dieses Stoffes liegt dabei zwischen der gewünschten Betriebstemperatur des Wärmerohres und der Temperatur der Wärmequelle. Außerdem besitzt dieser Stoff beim Phasenwechsel fest-flüssig einen hohen Sprung in der Wärmeleitfähigkeit. Der Anteil des Stoffes, der sich in flüssigem Zustand (91) befindet, steigt mit zunehmender Temperatur der Wärmequelle. Damit steigt gleichzeitig der Wärmewiderstand von der Wärmequelle zum Wärmerohr erheblich an. Dies bedeutet nur eine geringe Zunahme der Temperatur des Wärmerohres und damit auch der durch das Wärmerohr übertragenen Wärmeleistung.
In Fig. 3 ist eine aktiv arbeitende Fig. 1 und 2 gemäße Vorrichtung 1' gezeigt, bei der die Heizzone 3 eines Wärmerohres 2 mit Kühlzone 4 von einem in einem Gefäß 10 befindlichen flüssigen Stoff 11 mit Phasenwechsel flüssig-gasförmig teilweise umgeben ist. Der flüssige Stoff 11 ist über eine Verbindungsleitung 12 mit einem Zylinder 13 verbunden, in dem ein von einem Stellmotor 14 bewegbarer Kolben 15 angeordnet ist. Je nach Bewegungsrichtung des Kolbens 15 und dadurch des flüssigen Stoffes 11 wird dessen Flüssigkeitsspiegel 16 im Gefäß 10 in seiner Höhe verändert, wodurch der Stoff 11 die Heizzone 3 mehr oder weniger umgibt. Der flüssige Stoff 11 befindet sich mit seinem oberhalb seines Spiegels 16 lagernden Dampfes 17 im Gleichgewicht. Die Wärmeleitfähig-
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keit des Dampfes 17 ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des flüssigen Stoffes 11 praktisch vernachlässigbar. Beträgt z.B. die Temperatur von Wasser 100°C, so ist die Wärmeleitfähigkeit 0,681 W/cm °K, die des Wasserdampfes 0,025 W/cm K. Damit ist näherungsweise jeder beliebige Wärmewiderstand und damit jede Wärmerohrtemperatur zwischen der Temperatur der Wärmequelle 5 und Kuhlzone 4 (Wärmesenke) einstellbar. Wird die Heizzone 3 vollständig vom flüssigen Stoff 11 umspült, ist bei sehr guter Wärmeleitfähigkeit von Wärmequelle 5 zum Wärmerohr 2 eine hohe Wärmerohrtemperatur und maximale übertragbare Wärmeleistung erzielbar. Wird dagegen die Heizzone 3 nur vom Dampf 17 des flüssigen Stoffes 11 umgeben, was einer sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit entspricht, so kommt die Wärmeübertragung nahezu zum Stillstand und das Wärmerohr 2 erreicht die Temperatur der Kühlzone 4 (Wärmesenke). Bei der beschriebenen Vorrichtung 1' ist die zwischen dem Gefäß 10 und Zylinder 13 angeordnete Verbindungsleitung 12 an jeder beliebigen Stelle des Gefäßes 10 anordenbar (z.B. auch oben). Dabei kann, wie in Fig. 3a ersichtlich, der Zylinder 13 mit Kolben 15 durch einen an seiner Stirnfläche 18 verschlossenen Balg 19 ersetzt sein. Das Zusammendrücken des Balgs 19 und der damit verbundenen Bewegung bzw. Änderung der Höhe des Spiegels 16 des flüssigen Stoffes 11 wird durch Angreifen einer zwischen Stellmotor 14 und Stirnfläche 18 angeordneten Verbindungsgliedes 20 bewirkt. Wichtig ist, daß die gesamte Vorrichtung vakuumdicht ist.
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Fig. 4 stellt die in Fig. 3 beschriebene Vorrichtung 1' als passiv arbeitend dar. Hier wird der Kolben 15 nicht mehr mechanisch durch einen Stellmotor 14 (Fig. 3) bewegt, sondern von einem auf ihn wirkenden Umgebungsdruck (z.B. Luftdruck) 21. Dazu ist die dem flussigen Stoff 11 abgewandte Stirnfläche 22, 22' des Kolbens 15, 15* (Fig. 4, 4a) oder die Stirnfläche 18, 181 eines Balgs 19, 191 (Fig. 3a, 4b) durch einen offenen Zylinderdeckel 23, 23' (Fig. 4, 4a, 4b) dem Umgebungsdruck 21, 21' ausgesetzt.
Ist z.B. der von außen auf den Kolben 15 oder Balg 19* lastende Druck eine Atmosphäre (atm) und der von der Temperatur der Wärmequelle 5 bestimmte Dampfdruck 17' (Fig. 4) des flüssigen Stoffes 11 kleiner als eine Atmosphäre, so ist das Gefäß 10 mit dem Stoff 11 gefüllt, ist der Dampfdruck 17' größer als eine Atmosphäre, drückt er auf dem Spiegel 16 des flüssigen Stoffes 11 und diesen unter Verschiebung des Kolbens 15 in den Zylinder 13 oder Balg 19' (Fig. 4, 4a, 4b). Die Betriebstemperatur des Wärmerohres 2 ist damit durch den Siedepunkt des gewählten flüssigen Stoffes regelbar.
Bei gleichbleibendem flüssigen Stoff 11 kann eine Verschiebung der Arbeitstemperatur dadurch erreicht werden, daß, wie Fig. 4a und 4b zeigen, gegen die Stirnflächen 22' und 18' des Kolbens 15' und Balg 19' eine Feder 24, 24' drückt und die sich am Zylinderdeckel 23' abstützt. Je nach Umgebungsdruck 21' und Feder 24, 24" wirkt diese in Richtung oder gegen den Umgebungsdruck 21', so daß der flüssige Stoff
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11 bei höherem oder niedrigerem Druck in oder aus dem Gefäß 10 und Zylinder 13 oder Balg 19' gedruckt wird.
Die Feder 24, 24* (Fig. 4a, 4b) kann, wie in Fig. 4c und 4d dargestellt, durch einen vorgegebenen Innendruck 25, 25' eines Gases 26, 26' (z.B. Luft, Stickstoff u.a.) ersetzt werden. Das Gas 26, 261 befindet sich dabei in einem auf der dem flüssigen Stoff abgewandten Seite (Stirnfläche 22",18") des Kolbens 15" oder Balgs 19" angeordneten Behälter 26, 26*.
11. Mal 1977
/ke I
Kr/ke I 809848/0471

Claims (1)

  1. DORNIER SYSTEM GMBH
    Friedrichshafen
    Reg. S 286
    Patentansprüche :
    1./Vorrichtung zur regelbaren Temperaturübertragung mittels eines Wärme roh res, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wärnierohres (2) und die dadurch übertragene Wärmeleistung durch einen variablen Wärmewiderstand zwischen einer Wärmequelle (5) und dem Wärmerohr (2) regelbar ist, wobei als Wärmewiderstand ein zwischen dem Wärmerohr (2) und der Wärmequelle (5) angeordneter fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff (11) mit temperaturabhängiger Wärmeleitfähigkeit dient und wobei dieser Stoff (11) insbesondere beim Phasenwechsel seine Wärmeleitfähigkeit ändert.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff (11) eine Flüssigkeit mit variablem Niveau ist, die mit ihrem Dampfdruck (17, 17') im Gleichgewicht steht.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau der Flüssigkeit (11) durch einen in einem Zylinder (13) angeordneten und von außen angetriebenen Kolben (15) veränderbar ist.
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    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau der Flüssigkeit (Ti) durch eine Balg (19, 19', 19") veränderbar ist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau der Flüssigkeit (11) durch Änderung ihres Dampfdruckes (17, 17') veränderbar ist.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampfdruck (17, 17') ein ihn umgebender Gasdruck (z.B. barometrischer Luftdruck) (21, 21') entgegenwirkt.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der umgebende Gasdruck (21, 21') durch eine Feder (24, 24') verstärkt wird.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampfdruck (17, 17') ein Druck (25, 25') eines in einem Behälter (27, 27') gespeicherten Gases (z.B. Luft, Stickstoff u.a.) (26, 26') entgegenwirkt.
    11. Mai 1977
    KrKe 809848/0471 . 3 _
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