DE2724309B2

DE2724309B2 - Regelbares Wärmerohr

Info

Publication number: DE2724309B2
Application number: DE2724309A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. 7778 Markdorf Molt
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1977-05-28
Filing date: 1977-05-28
Publication date: 1979-06-21
Also published as: IT1107164B; DE2724309C3; DE2724309A1; JPS5542314B2; FR2392348A1; JPS53148055A; IT7868001A0; SE7805516L

Description

Die Erfindung betrifft ein regelbares Wärmerohr, bei dem die Temperatur der Heizzone geregelt wird. ,

Ein Wärmerohr ist 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 em Medium mit relativ hohem Dampfdruck, das während des Wärmetransports 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 _Jo Kapillarstruktur zur Heizzone zurück. Die dadurch übertragene Wirmeleistung und die Wärmerohrtemperatur richten sich dabei nach ^em in der Heiz- und Kühlzone vorhandenen Wärmeübergangswiderstand. Der Wunsch, die Wärmeleitung un.-*. Wärmerohrtempe- _r, ratur zu steuern bzw. regeln, führie zu gasgesteuerten Wärmerohren, wie solche aus der US-PS 39 58 627 und 36 72 443 sowie GB-PS 13 65 448 bekannt sind. Es handelt sich dort um transversale variable Wärmerohre, bestehend aus einer geflochtenen geschlossenen Um- _w hüllung, einer inneren Wand für den Richtungswechscl 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 ₄-, Transportzone durch das Inertgas, wobei die Heizzone davon unberührt bleibt. Die teilweise Blockierung der Kühlzonc hat einen erhöhten Wärmewiderstand in der Kühlzonc zur Folge, was bei gleichbleibend gutem Wärmeübergang in der Heizzone zu einer Tempera- _w turerhöhung des bzw. der Wärmerohre und zu geringerer übertragbarer Wärmeleistung führt. Die Verschiebung der blockierenden inerten Gasfront in der Kühlzone wird durch Änderung der Temperatur des Behälters bzw. des darin enthaltenen Inertgases _Y, geregelt. Dabei bleibt der Wärmewiderstand zwischen der Wärmequelle und dem bzw. der Wärmerohre konstant. Die Regelung der Temperatur erfolgt in der Kühlzonc bzw. an der Wärmezufuhrscite und innerhalb der Wärmcrohrc. Der Nachteil derartiger Wiirmcrohre _h(> ist, daß mit zunehmender Blockierung der Kiihlzone 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 _h-, entstehende hohe Innendruck, der dem Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit bei der hohen Wärmerohricmneralur entspricht, kann zum Bersten des Wärmerohres oder zum Zersetzen der Flüssigkeit führen.

Bei einem aus der GB-PS 13 65 448 bekannten Wärmerohr wird entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches ein Berylliumoxid-Block verwendet, der seine Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur ändert und als Sockel zwischen der Wärmequelle und dem Wärmerohr zur Kühlung eines Transistors verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe ein regelbares Wärmerohr, bei dem die Temperatur der Heizzone geregelt wird, zu schaffen, 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 des Patentanspruches vorgesehen.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesonuere 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. 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:

StofT	Temperatur	Wärmeleit
		fähigkeit
	⁰K	HVc m K
Intermetallische Ver	373	0,202
bindung	57«	0,121
(Indium-Arsen) (InAs)	XX5	0,084
Aluminiumoxid	500	0,2
(AI₂O₁)	XfK)	0,1
	1000	0,08
Berylliumoxid	5(Kl	1.4
(BeO)	X(Kl	0,72
Silicon	3(Kl	1,4
	WK)	0.6
	KKK)	0,3
Stahl	303	0.68X
	473	0,451
	773	0,231
Magnesiumoxid	5(K)	0,25
(MgO)	X(K)	0,15

Bei den hier aufgeführten Stoffen verringert sich die Wärmeleitfähigkeit bei einem Temperaturanstieg um 300° K. etwa um die Hälfte.
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 Spnmges 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:

Schmelz- Wärmeleitfähigkeit temperatur am Schmelzpunkt If/cm K

⁰K 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 Regelverhaltcn ist hierbei gegenüber festen Stoffen ohne Phasenwechsel wesentlich besser. Ein Temperaturanstieg der Wärmequelle ist auch 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 /um Wärmerohr in einer Flüssigkeit statt, wobei noch der Phasenwechsel flüssig-gasförmig ausgenutzt werden kann, so ist mit einer solchen Vorrichtung eine exakte, sowohl passive als auch i'ktive Temperaturregelung des Wärmerohres möglich. Hierbei wird der Wärmewiderstand in der Heizzone des Würmerohrcs dadurch geändert, daß die Höhe des Flüssigkeitsspiegels geändert wird, wodurch die benetzen Oberflächen von Wärmerohr und Wärmcqu-ilc geändert werden.

Ausführungsbeispicle sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Fs zeigt

F i g. I ein regelbares Wärmerohr mit in seiner Heizzone angeordnetem festem Stoff.

ig. 2 ein Wärmerohr gemäß F i g. I mit in der Heizzone angeordnetem Stoff mit l'hasenwcchscl fest-flüssig.

F i g. J ein Wärmerohr gemäß F i g. I und 2 mit in der Heizzone angeordnetem Stoff mit Phasenwechsel flüssig-gasförmig und zur Niveauregelung des Stoffes angeschlossenem Pumpzylinder mit mechanisch angetriebenem Kolben,

F ι g. Ja einen am Wärmerohr nach F i g. 3 zur Niveauregelung ersatzweise anschließbaren mechanisch angetriebenen HaIg

Fig.4 ein Wärmerohr gemäß Fig.3, jedoch mit einem von seinem Umgebungsdruck beaufschlagten Kolben, und

Fig.4a, b, c, d Ausführungsformen von ersatzweise anschließbaren Gefäßen zur Niveauregelung gemäß Fig, 4.

In Fig. 1 ist eine passiv arbeitende Vorrichtung ! ^;n einfachster Ausführung zur regelbaren Temperatur mittels eines Wärmerohres 2 schematisch dargestellt.

ίο 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 der

2u Wärmequelle 5 zur Heizzone 3 des Wärmerohres 2 wird die Zunahme der übertragenen Wä? ;ieleistung und der Wärmerulmetnperaiur durch den danvt verbundenen raschen Anstieg des Wärmewiderstandes gedämpft. Voraussetzung dazu ist, daß in der Kühlzone 4

>5 konstante Verhältnisse herrschen.

In F'g. 2 ist zwischen der Wärmequelle 5 und der Heizzone 3 des Wärmerohres 2 mit Kühlzone 4 in einem vakuumdichten Gefäß 8 ein Stoff 9 mit Phasenwechsel fest-flüssig angeordnet.

jo Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist gleichfalls passiv, wobei das Regelverhalten durch den Phasenwechsel des verwendeten Stoffes gegenüber der in F i g. 1 beschriebenen Vorrichtung verbessert ist. Der Schmelzpunkt dieses Stoffes liegt dabei zwischen der

j-, gewünschten Betriebstemperatur des Wärmerohres und der Temperatur der Wärmequelle. Außerdem hat dieser Stoff 9 beim Phasenwechsel fest-flüssig einen hohen Sprung in der Wärmeleitfähigkeit. Der Anteil des Stoffes, der sich in flüssigem Zustand (9') befinde L steigt

tu mit zunehmender Temperatur der Wärmequelle 5. Damit steigt gleichzeitig der Wärmewiderstand von der We-meqnülc 5 zum Wärmerohr 2 erheblich an. Dies bedeutet nur eine geringe Zunahme der Temperatur des Wärmerohrcs 2 und damit auch der durch das

n Wärmerohr übertragenen Wärmeleistung.

In Fig. 3 ist eine aktiv arbeitende F i g. I und 2 gemäße Vorrichtung 1' gezeigt, bei der die Heizzone 3 des Wärmerohres 2 mit Kiihlzone 4 von einem in einem Gefäß 10 befindlichen flüssigen Stoff 11 mit Phasen-

~,n wechsel flüssig-gasförmig teilweise umgeben ist. Der flüssige Stoff 11 ist über eine Vcrbindungsleitung 12 mit einem Zylinder 13 verbunden, in dem ein von einem Stellmotor 14 bewegbarer Kolben 15 angeordnet ist. |e nach Bewegungsrichtung des Kolbens 15 und dadurch

-,-, des flüssigen Stoffes Il wird dessen Flüssigkeitsspiegel 16 im Gefäß 10 in -einer 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 Dampf 17 im Gleichgewicht. Die Wärmcleilfiihigkei. des Dampfes 17 ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des flüssigen Stoffes Il praktisch vernachlässigbar. Beträgt /.. B. die Temperatur von Wasser 100" C. so ist die Wärmeleitfähigkeit 0,681 Wl cm "K, die des Wasserdampfes 0.025 W/cm "K. Damit

-, ist näherungsweisc jeder beliebige Wärmcwidcrsland und damit jede Wäimeroitrtempcraliir zwischen der Temperatur der Wärmequelle 5 und Kiihlzone 4 (Wärmesenke) einstellbar. Wird die Heizzone }

vollständig vom flüssigem Stoff It 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 Γ ist die zwischen dem Gefäß 10 und Zylinder 13 angeordnete Verbindungsleitung 12 ;in jeder beliebigen Stelle des Gefäßes 10 anordbar (/. B. auch oben). [Dabei kann (F i g. 3a) der Zylinder 13 mil Kolben 15 durch einen an seiner Stirnfläche 18 verschlossenen Balg 19 ersetzt sein. Das Zusammendrücken des Balgs 19 und die damit verbundene Bewegung bzw. Änderung der Höhe des Spiegels 16 des flüssigen Stoffes 11 wird durch Angreifen eines zwischen Stellmotor 14 und Stirnfläche 18 angeordneten Verbindungsgliedes 20 bewirkt. Wichtig ist. daß die gesamte Vorrichtung vakuumdicht ist.

F i g. 4 stellt die in F i g. 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 flüssigen Stoff 11 abgewandte Stirnfläche 22, 22' ties Kolbens 15, 15' (F i g. 4. 4a) oder die Stirnfläche 18, 18' eines Balgs 19, 19' (Fig. 3a. 4b) durch einen offenen Zylinderdeckel 23, 23' (Fig. 4. 4a. 4b) dem Umgebungs druck 21,21' ausgesetzt.

Ist z. B. der von außen auf den Kolben 15 oder Balg 19' lastende Druck eine Atmosphäre (atm) und der vor der Temperatur der Wärmequelle 5 bestimmte Druck de' Dampfes 17'(Fi g. 4) des flüssigen Stoffes 11 kleiner als eine Atmosphäre, so ist das Gefäß 10 mit dem Stofl 11 gefüllt, ist der Dampfdruck 17' größer als eine Atmosphäre, drückt er auf dem Spiegel 16 des flüssiger Stoffes 11 und diesen unter Verschiebung des Kolben;

in 15 in den Zylinder 13 oder Balg 19' (F i g. 4, 4a. 4b). Die Betriebstemperatur des Wärmerohres 2 ist damit durch den Siedepunkt ties gewählten flüssigen Stoffe' regelbar.

Bei gleichbleibendem flüssigen Stoff 11 kann eint

ι-, Verschiebung der Arbeitstemperatur dadurch erreich¹ werden, daß, wie F i g. 4a und 4b zeigen, gegen die Stirnflächen 22' und 18' des Kolbens 15' und Balg 19 eine Feder 24, 24' drückt, die sich am Zylinderdeckel 23 abstützt. Ic nach Umgebungsdruck 21' und Feder 24, 24

jo wirkt diese in Richtung oder gegen den Umgebungsdruck 21'. so daß der flüssige Stoff 11 bei höherem otlei niedrigerem Druck in oder aus dem Gefäß 10 um Zylinder 13 oder Balg 19' gedrückt wird.

Die Feder 24, 24' (Fig. 4a. 4b) kann, wie in I ι g. 4t

:-, und 4d dargestellt, durch einen vorgegebenen Innen druck 25, 25' eines Gases 26, 26' (z. B. Luft. Stickstof u. ä.) rrsetzt werden. Das Gas 26, 26' befindet sich tlabc in einem auf der dem flüssigen Stoff abgewandten Seite (Stirniiäche 22", 18 ') des Kolbens 15" oder Balgs 19'

in angeordneten Behälter.

Hierzu 4 Hkitt Zeichnuniien

Claims

Patentanspruch:

Regelbares Wärmerohr, bei dem die Temperatur der Heizzone geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmequelle (5) und dem Wärmerohr (2) ein variabler Wärmewiderstand in Form eines in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase vorliegenden Stoffes (6, 9, 11) zwischengeschaltet ist, der beim Phasenwechsel seine Wärmeleitfähigkeit ändert.

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