DE2724309C3

DE2724309C3 - Regelbares Wärmerohr

Info

Publication number: DE2724309C3
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: 1980-02-21
Also published as: SE7805516L; IT7868001A0; DE2724309A1; FR2392348A1; IT1107164B; JPS53148055A; DE2724309B2; JPS5542314B2

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 ein 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 Kapillarstruktur zur Heizzone zurück. Die dadurch übertragene Wärmeleistung und die Wärmerohrtemperatur richten sich dabei nach dem in der Heiz- und Kühlzone vorhandenen Wärmeübergangswiderstand. Der Wunsch, die Wärmeleitung und Wärmerohrtemperatur zu steuern bzw. regeln, führte 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 transveisale variable Wärmerohre, bestehend aus einer geflochtenen geschlossenen Um- _Λ0 hüllung, einer inneren Wand für 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 Kühlzone hat einen erhöhten Wärmewiderstand in der Kühlzone zur Folge, was bei gleichbleibend gutem Wärmeübergang in der Heizzone zu einer Temperaturerhöhung 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 geregelt. Dabei bleibt der Wärmewiderstand zwischen der Wärmequelle und dem bzw. der Wärmerohre konstant. Die Regelung der Temperatur erfolgt in der Kühlzone bzw. an der Wärmezufuhrseite und innerhalb der Wärmerohre. Der Nachteil derartiger Wärmerohre ist, daß mit zunehmender Blockierung der Kühlzone 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 _fe5 entstehende hohe Innendruck, der dem Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit bei der hohen Wärmerohrtemperatur entspricht, kann zum Bersten des Wärmerohres oder zum Zersetzen der Flüssigkeit führen.

Bei einem aus der GB-PS 23 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 ίο 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 voi gesehen.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß der Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und Wärmerohr variabel ist und dadurch die Temperatur des Wämerohres 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 ts sind Störungen durch Blockieren oder Bersten des Wärmerohres ausgeschlossen.

Relevante Lösungen sind:

a) die Anordnung eines festen Stoffes mit stark temperaturabhängigem Wärmewidersland 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	Wem K
Intermetallische Ver	373	0,202
bindung	578	0,121
(Indium-Arsen) (InAs)	885	0,084
Aluminiumoxid	500	0,2
(Al₂O₃)	800	0,1
	1000	0,08
Berylliumoxid	500	1,4
(BeO)	800	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
(MgO)	800	0,15

Bei den hier aufgeführten Stoffen verringert sich die Wärmeleitfähigkeit bei einem Temperaturanstieg um 300^c 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 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:

StofT

Schmelz- Wärmeleitfähigkeit temperatur am Schmelzpunkt W/cm Yi

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 Regelverhalten 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 zum Wärmerohr in einer Flüssigkeit statt, wobei noch der Phasenwechsel flüssig-gasförmig ausgenutzt werden kann, so is', 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.

Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein regelbares Wärmerohr mit in seiner Heizzone angeordnetem festem Stoff,

F i g. 2 ein Wärmerohr gemäß F i g. i mit in der Heizzone angeordnetem Stoff mit Phasenwechsel fest-flüssig,

F i g. 3 ein Wärmerohr gemäß F i g. 1 und 2 mit in der Heizzone angeordnetem Stoff mit Phasenwechsel flüssig-gasförmig und zur Niveauregelung des Stoffes angeschlossenem Pumpzylinder mit mechanisch angetriebenem Kolben,

Fig.3a einen am Wärmerohr nach Fig.3 zur Niveauregelung ersatzweise anschließbaren mechanisch angetriebenen Balg,

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

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

In F i g. 1 ist eine passiv arbeitende Vorrichtung 1 in einfachster Ausführung 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 der Wärmequelle 5 zur Heizzone 3 des Wärmerohres 2 wird die Zunahme der übertragenen Wärmeleistung und der Wärmerohrtemperatur durch den damit verbundenen raschen Anstieg des Wärmewiderstandes gedämpft. Voraussetzung dazu ist, daß in der Kühlzone 4 konstante Verhältnisse herrschen.

In Fig.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.

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 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 Antsil des Stoffes, der sich in flüssigem Zustand (9') befindet, steigt mit zunehmender Temperatur der Wärmequelle 5. Damit steigt gleichzeitig der Wärmewiderstand von der Wärmequelle 5 zum Wärmerohr 2 erheblich an. Dies bedeutet nur eine geringe Zunahme der Temperatur des Wärmerohres 2 und damit auch der durch das Wärmerohr übertragenen Wärmeleistung.

In F i g. 3 ist eine aktiv arbeitende F i g. 1 und 2 gemäße Vorrichtung Γ gezeigt, bei der die Heizzone 3 des 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 Verbindungsleiiung 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 Dampf 17 im Gleichgewicht. Die Wärmeleitfähigkeit des Dampfes 17 ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des flüssigen Stoffes 11 praktisch vernachlässigbar. Beträgt z. B. die Temperatur von Wasser 100⁰C, so ist die Wärmeleitfähigkeit 0,681 Wl cm ⁰K, die des Wasserdampfes 0,025 Mem ⁰K. Damit ist näherungsweise jeder beliebige Wärmewiderstand und damit jede Wärmerohrtemperatur zwischen der Temperatur der Wärmequelle 5 und Kühlzone 4 (Wärmesenke) einstellbar. Wird die Heizzone 3

vollständig vom flüssigem 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 anordbar (z. B. auch oben). Dabei kann (F i g. 3a) der Zylinder 13 mit 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.

Fig. 4 stellt die in F i g. 3 beschriebene Vorrichtung Γ 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' des 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' (F i g. 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 Druck des Dampfes 17'(Fi g. 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'(Fi g. 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, die sich am Zylinderdeckel 23' abstützt. Je nach Umgebungsdruck 21' und Feder 24,24' wirkt diese in Richtung oder gegen den Umgebungsdruck 2Γ, so daß der flüssige Stoff 11 bei höherem oder niedrigerem Druck in oder aus dem Gefäß 10 und Zylinder 13 oder Balg 19' gedrückt 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. ä.) ersetzt werden. Das Gas 26,26' befindet sich dabei in einem auf der dem flüssigen Stoff abgewandten Seite (Stirnfläche 22", 18") des Kolbens 15" oder Balgs 19" angeordneten Behälter.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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