DE2739199A1

DE2739199A1 - Schalt- und regelbares waermerohr

Info

Publication number: DE2739199A1
Application number: DE19772739199
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing Koch; Klaus Dipl Ing Koegler; Wolfgang Dipl Phys Molt
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1977-08-31
Publication date: 1979-03-08
Also published as: GB2003596A; BE867591A; FR2402177A1; SE7809009L; SE438551B; DE2739199B2; IT7869005A0; JPS5437958A; IT1108004B

Description

DORNIER SYSTEM GMBH
7990 Friedrichshafen

Reg. S 292

Schalt- und regelbares ämerohr Die Erfindung befaßt sich mit einem schalt- und regelbaren Wärmerohr.

Bei aus der Praxis bekannten Wärmerohren werden unter Ausnutzung des Phasenwechsels flüssig-gasförmig und der damit verbundenen Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme hohe Übertragbare Wärmeleistungen bei minimaler Temperaturdifferenz erreicht. Dabei befindet sich auf der Innenseite eines vakuumdicht verschlossenen Behälters, meist ein Rohr, eine mit einer Flüssigkeit relativ hohen Dampfdruckes gesättigte Kapil« larstruktur, aus der die Flüssigkeit in der beheizten Zone verdampft, dabei die Verdampfungswärme aufnimmt, und der Dampf in der gekühlten Zone unter Abgabe der Kondensationswärme wieder kondensiert. Das Kondensat wird auf Grund der Kapillarkraft, die je nach Lage des Wärmerohres durch die Schwerkraft unterstutzt wird, von der Kuhlzone in die Heizzone zurUcktransportiert. Dabei transportiert das Wärmerohr die durch den Temperaturunterschied zwischen Heiz- und Kohlzone und durch den Wärmewiderstand des Wärmerohres bestimmte Wärmeleistung so lange, bis die Leistungsgrenze des Wärmerohres erreicht ist· Wird

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die Leistungsgrenze eines Wärmerohres Überschritten, trocknet die Kapillarstruktur in der Heizzone aus.

Der Wunsch, die mit Hilfe eines Wärmerohres von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke Übertragene Wärmeleistung regelbar zu machen, fuhrt zum Bau von Wärmerohren mit regelbarer Wärmeleitfähigkeit. Alle bekannten Verfahren regeln die zu Übertragende Wärmeleistung durch Änderung des Wärmewiderstandes des Wärmerohres. Dazu wird z. B. bei gasgesteuerten Wärmerohren, wie beispielsweise eines aus der US-PS 3 958 627 bekannt ist, ein Teil des Rohrinneren in der Kühlzone mit einem nicht kondensierbaren Gas (Inertgas, ζ. B. NL, He) in der Kuhlzone blockiert. In letzter Zeit wird auch der Wärmewiderstand geregelt, der sich zwischen Wärmequelle und Wärmerohr befindet. Hierbei ist die Temperatur des Wärmerohres und die dadurch Übertragene Wärmeleistung durch einen variablen Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und Wärmerohr regelbar. Als Wärmewiderstand dient dabei ein zwischen dem Wärmerohr und der Wärmequelle angeordneter fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff mit temperaturabhängiger Wärmeleitfähigkeit, der insbesondere beim Phasenwechsel seine Wärmeleitfähigkeit ändert.

Diese Verfahren haben den gemeinsamen Nachteil, daß zu der als Wärmeträger dienenden Flüssigkeit noch ein zusätzlicher zweiter Stoff verwendet werden muß, ζ. B. ein Inertgas, und der zahlreiche spezielle

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Anforderungen erfüllen muß, z. B. ein fester Stoff mit stark temperaturabhängiger Wärmeleitfähigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr zu schaffen, das ohne einen derartigen zusätzlichen Hilfsstoff arbeitet und das dennoch regel- und schaltbar ist und bei dem die Wärmeübertragung von der Heizzone in die Kuhlzone ohne Lageveränderung ein- oder ausschaltbar ist.

Erfindungsgemäß sind zur Lösung dieser Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden UnteransprUche vorgesehen.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß die Wärme-Übertragung und damit die Wärmetransportleistung eines Wärmerohres durch ändern der im Wärmerohr und in dessen Kapillarstruktur enthaltene FlUssigkeitsfUllmenge mit Hilfe eines Behälters, in dem die Flüssigkeit teilweise speicherbar ist, geregelt oder ganz ein- oder ausschaltbar ist. Dabei wird in der Heizzone des Wärmerohres eine der zu Übertragenden Wärmeleistung entsprechende Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit verdampft. Durch die Steuerung des in der Kapillarstruktur während der Wärmeübertragung von der Heiz- zur Kuhlzone stattfindenden FlUssigkeitsstromes ist auch die damit Übertragene Wärmeleistung steuerbar. Die Wärmeübertragung kommt erst dann vollständig zum Erliegen, wenn dem Wärmerohr und dessen Kapillarstruktur die Arbeitsflüssigkeit entzogen ist.

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Ausfuhrungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein nur ein- oder ausschaltbares Wärmerohr, Fig. 2 ein schalt- und regelbares Wärmerohr, Fig. 3 einen Behälter mit Balg.

In Fig. 1 ist als einfachstes Ausfuhrungsbeispiel ein nur ein- oder ausschaltbares Wärmerohr 1 schematisch dargestellt. Auf der Innenseite seiner Wandung 2 ist eine Kapillarstruktur 3 angeordnet, die mit einer ArbeitsflUssigkeit 4 hohen Dampfdruckes gesättigt ist. An der oberen Stirnseite bzw. an der Kühlzone 5 des Wärmerohres 1 ist eine Rohrleitung 6 angeschlossen, die das Wärmerohr 1 mit einem entfernteren Behälter 7 verbindet. Zwischen Wärmerohr 1 und Behälter 7 ist in der Rohrleitung 6 ein Ventil 8 geschaltet. Dabei verläuft der Wärmetransport von der am unteren Ende des Wärmerohres 1 gelegenen Wärmequelle 9 bzw. der mit ihr in Kontakt stehenden Heizzone 10 des Wärmerohres 1 in Richtung Wärmesenke 11, die wiederum mit der Kühlzone 5 in Kontakt steht. Bei Inbetriebnahme des Wärmerohres 1 wird diesem in der Heizzone 10 Wärme zugeführt und dabei die im Wärmerohr 1 bzw. in der darin angeordneten Kapillarstruktur 3 enthaltene ArbeitsflUssigkeit 4 verdampft. Der so entstehende Dampf 12 transportiert die in ihm enthaltene Wärme in Richtung Kühlzone 5 bzw. strömt

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bei geöffnetem Ventil 8 durch die Rohrleitung 6 in den Behälter 7. Dabei steht die Arbeitsflüssigkeit 4 mit ihrem Dampf 12 im gesamten System im Gleichgewicht. Normalerweise ist die Temperatur des Behälters 7 gegenüber dem Wärmerohr 1 geringer, d. h. kälter. Dieser Temperaturunterschied kann gegebenenfalls durch zusätzliche Kühlung des Behälters 7, z. B. durch freie Konvektion in die ihn umgebende Luft oder Kühlflüssigkeit verstärkt werden. Weben des Kondensierens des Dampfes 12 an der kältesten Stelle des Gesamtsystems, also im Behälter 7, füllt sich dieser sehr rasch mit dem Kondensat der Arbeitsflüssigkeit 4, wodurch die Kapillarstruktur 3 austrocknet und dadurch die Wärmeübertragung völlig zum Erliegen kommt. Soll dies nicht geschehen, wird der Behälter 7 z. B. durch einen elektrischen Widerstand 13 beheizt. Dadurch wird die im Behälter 7 angesammelte Arbeitsflüssigkeit 4 wieder verdampft und die Kapillarstruktur 3 des Wärmerohres 1,weil kälter, mit dem darin anfallenden Kondensat gefüllt. Ist der Behälter 7 im Gesamtsystem der wärmste Punkt, so ist die gesamte Arbeitsflüssigkeit 4 im Wärmerohr 1; d. h., das Wärmerohr ist eingeschaltet und betriebsbereit. Ist dagegen der Behälter 7 der kälteste Punkt im Gesamtsystem, so befindet sich die gesamte Arbeitsflüssigkeit 3 im Behälter 7; d. h., das Wärmerohr ist ausgeschaltet und kann keine Wärme Übertragen.

Um zu vermeiden, daß der Behälter 7 während der ganzen Betriebszeit des Wärmerohres 1 beheizt werden muß, ist in der Rohrleitung zwischen dem Wärmerohr 1 und Behälter 7 ein Ventil 8 angeordnet. Es wird ge-

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schlossen, wenn sich die gesamte ArbeitsflUssigkeit 4 im Wärmerohr 1 befindet; die Heizung 13 des Behälters 7 wird dann abgeschaltet. Soll die Wärmeübertragung ausgeschaltet werden, ist das Ventil 8 geöffnet, wodurch der Dampf 12 kondensiert und sich die ArbeitsflUssigkeit 4 sofort im kalten Behälter 7 wieder sammelt. Die Wärmeübertragung kommt zum Erliegen.

In Fig. 2 ist, ebenfalls prinzipiell, ein schalt- und regelbares Wärmerohr 1 als weiteres Ausfuhrungsbeispiel dargestellt, das durch Regelung der sich in ihm enthaltenen Menge an ArbeitsflUssigkeit 4 regelbar ist. Enthält das Wärmerohr 1 weniger ArbeitsflUssigkeit 4 als zur vollständigen Sättigung der Kapillarstruktur 3 notwendig ist, so wird die maximal mögliche Übertragbare Wärmeleistung nicht mehr erreicht. Die Regelung der Menge der ArbeitsflUssigkeit 4 erfolgt durch einen Behälter mit veränderlichem Volumen, z. B. ein Zylinder 14 mit beweglichem Kolben 15 oder ein Behälter 7* mit einer als Balg 15' (Fig. 3) ausgebildeten Wand. Der Zylinder 14 mit durch seinen Kolben 15 veränderbaren Volumen 16 wird ständig gekühlt, ζ. Β. durch freie Konvektion oder einer von Kühlflüssigkeit durchströmten Kuhlschlange 17. Dadurch wird die Temperatur des Zylinders 14 ständig unter der Betriebstemperatur des Wärmerohres 1 gehalten. Dadurch ist das zur Verfugung stehende Volumen 16 stets vollständig mit ArbeitsflUssigkeit 4 ausgefüllt. Wird das Volumen 16 im Zylinder 14 verkleinert, so wird zugleich ein Teil der ArbeitsflUssigkeit 4 in das Wärmerohr 1 gedruckt und dadurch

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die Leistung des Wärmerohres 1 größer. Ursache ist die höhere mögliche Strömung der Arbeitsflüssigkeit 4 von der Kuhlzone 5 in die Heiiizone 10. Der Zylinder 14 mit veränderbarem Volumen 16 ist derart ausgelegt, daß sein Maximalvolumen die gesamte Arbeitsflüssigkeit 4 des Wärmerohres 1 fassen kann. In diesem Fall ist das Wärmerohr vollständig abgeschaltet. Die Volumensänderung des Zylinders kann aktiv, d. h. durch einen mit dem Kolben 15 verbundenen Stellmotor 18 bewerkstelligt werden. Auch ist eine passive, d. h. selbsttätige Volumensänderung in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmerohres 1 möglich. Je nach Temperatur desselben herrscht im Gesamtsystem ein bestimmter Dampfdruck vor. Ist dieser im Inneren des Wärmerohres 1 bzw. Gesatntsystems kleiner als der äußere Druck (im einfachsten Fall der barometrische Druck),so wird der Behälter 7', Zylinder 14 oder Balg 15' auf sein kleinst möglichstes Volumen 16 zusammengedruckt; die gesamte Arbeitsflüssigkeit 4 befindet sich dann im Wärmerohr 1. Übersteigt der Dampfdruck den äußeren Druck, so dehnt sich der Behälter 7', Zylinder 14 oder Balg 15* aus ; dem Wärmerohr 1 wird die ArbeitsflUssigkeit 4 entzogen und der Wärmetransport bzw. Betrieb des Wärmerohres 1 kommt zum Stillstand.

Der Aussendruck auf dem Behälter 7', Zylinder 14 oder Balg 15' (Fig. 3), insbesondere auf den Kolben 15 oder den Boden 19 des Balges 15' (Fig. 3), der dem Innendruck (Dampfdruck) entgegenwirkt, ist, wenn es der atmosphärische Druck ist, z. B. durch eine Feder 20 (Fig. 3)

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verstärkbar oder abschwächbar. Der Außendruck ist auch durch ein auf den Behälter 7' druckendes komprimiertes Gas, z. B. Stickstoff, Luft oder Edelgas, erzeugbar. Damit ist auch bei gleichbleibendem Wärmeträger die Arbeitstemperatur des Wärmerohres beliebig einstellbar.

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Claims

DORNIER SYSTEM GMBH
Friedrichshafen

Reg. S 292

Patentansprüche :

1. !Schalt- und regelbares Wärmerohr, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Wärmerohr (1) zu Übertragende Wärmeleistung durch ändern der Menge einer im Wärmerohr (i) enthaltenen ArbeitsflUssigkeit (4) geregelt wird, wobei das Wärmerohr (l) mit seiner Kühlzone (5) Über eine Rohrleitung (6) mit einem Behälter (7) verbunden ist durch die der Wärme tragende Dampf (12) der ArbeitsflUssigkeit (4) strömt und in seiner flüssigen Phase in dem Behälter (7) ganz oder teilweise gespeichert wird.

2. Schalt- und regelbares Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Behälter (7) oder im Wärmerohr Q) befindliche Menge ArbeitsflUssigkeit (4) durch temperieren des Behälters (7) geregelt wird.

3. Schalt- und regelbares Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Behälter (7) oder im Wärmerohr (i) befindliche Menge ArbeitsflUssigkeit (4) durch Änderung des Volumens

(16) des Behälters (7) geregelt wird.

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- 2 ORIGINAL INSPECTED

4» Schalt- und regelbares Wärmerohr nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen (16) des Behälters (7) gegenüber dem konstanten Außendruck mit der Temperatur des Wärmerohres (1) sich ändernden Innendruck selbsttätig veränderbar ist.

5. Schalt- und regelbares Wärmerohr nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (7) ein Zylinder (14) mit beweglichem Kolben (15) ist.

6. Schalt- und regelbares Wärmerohr nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (7) ein einseitig geschlossener Balg (15*) ist.

7. Schalt- und regelbares Wärmerohr nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rohrleitung (6) zwischen dem Wärmerohr (1) und dem Behälter (7) ein Ventil (8) geschaltet ist.

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