DE2836527A1 - HEAT PIPE FOR TEMPERATURE LOWERING IN THERMALLY LOADED AREAS OF MACHINERY - Google Patents
HEAT PIPE FOR TEMPERATURE LOWERING IN THERMALLY LOADED AREAS OF MACHINERYInfo
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Description
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FIAT VEICOLI INDUSTRIALI S.p.A.
Via Puglia 35
Turin, ItalienFIAT VEICOLI INDUSTRIALI SpA
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Turin, Italy
Wärmerohr zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen. . Heat pipe for lowering the temperature in thermally stressed areas of machines. .
Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr zur Übertragung von Wärmeenergie und damit zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen. Wärmerohre sind für die Kühlung sehr heißer Bereiche von Verbrennungsmotoren von besonderer Nützlichkeit. Bekannte Wärmerohre beste- hen aus einem geschlossenen eine Flüssigkeit enthaltenden rohrförmigen Körper, der einen heißen Bereich des Motors mit einem Bereich zur Wärmeableitung verbindet. Der Körper des Wärmerohres ist mit einem rohrleitungsartigen zentralen Raum sowie an seiner Innenwandung mit einem kapillaren Zwischenraum versehen.The invention relates to a heat pipe for the transfer of thermal energy and thus for lowering the temperature thermally contaminated areas of machines. Heat pipes are used to cool very hot areas of internal combustion engines of particular usefulness. Known heat pipes consist of a closed one containing a liquid tubular body that connects a hot area of the engine with an area for heat dissipation. The body the heat pipe is with a pipe-like central space and on its inner wall with a capillary Provide space.
Die maximale Leistung, die ein Kolbenverbrennungsmotor, insbesondere ein vorverdichtendet Motor, liefern kann, ist durch die höchstzulässige Temperatur in verschiedenen kritischen Bereichen des Motors begrenzt.Ein besonders kritischer Bereich des Motors ist der Zylinderkopf. Durch die Anordnung von Wärnierohren der oben beschriebenen Art kann die Arbeitstemperatur des Motors in den mit den Wärmerohren ausgestatteten Bereichen erheblich verringert werden. Die Übertragung der Wärmeenergie durch ein Wärmerohr erfolgt bekanntlich durch die rasche Zirkulation der Flüssigkeit, die durch das Vorhandensein des kapillaren Zwischenraumes begünstigt wird, der einen Weg für die Flüssigkeit in ihrem flüssigen Aggregatzustand bildet, während der zentrale rohrleitungsartigeThe maximum power that a reciprocating internal combustion engine, in particular a supercharged engine, which can deliver, is critical in various by the maximum allowable temperature A particularly critical area of the engine is the cylinder head. By the arrangement of heat pipes of the type described above, the working temperature of the engine in those equipped with heat pipes Areas are significantly reduced. The transfer of thermal energy through a heat pipe is known to take place by the rapid circulation of the liquid, which is favored by the presence of the capillary space, one way for the liquid in its liquid state of aggregation forms, while the central pipeline-like
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Raum einen Weg für die Flüssigkeit in der Dampfphase bildet. Das Wirkungsprinzip und die Kriterien zur Bestimmung der erforderlichen Abmessungen von Wärmerohren sind an sich bekannt. Space forms a path for the liquid in the vapor phase. The principle of action and the criteria for determining the required Dimensions of heat pipes are known per se.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr zu schaffen, das eine höhere Leistungsfähigkeit als bekannte Wärmerohre besitzt und das so geformt ist, daß es sich in der Maschine, in der es angebracht werden soll, sicher und gas- sowie wasserdicht befestigen läßt.The invention is based on the object of creating a heat pipe that has a higher performance than known Has heat pipes and is shaped to be safe and secure in the machine in which it is to be installed Can be attached gas- and watertight.
Ausgehend von einem Wärmerohr zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, durch Verbindung eines erhitzten Bereiches mit einer Umgebung zur Wärmeabgabe, mit einem eine Flüssigkeit enthaltenden rohrförmigen Körper, der mit einem zentralen rohrleitungsartigen Raum und an seiner Innenwandung mit einem kapillaren Zwischenraum versehen ist, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der kapillare Zwischenraum und der rohrleitungsartige Raum im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, daß die Wandung des rohrförmigen Körpers einen nach außen verdickten Bereich aufweist, der an eines seiner Enden angrenzt, und daß dieses Ende einen ringförmigen abschließenden Ansatz besitzt, der einen Tellerkopf bildet, und mittels dessen das Eindringen des rohrförmigen Körpers in eine in einer Wandung der Maschine befindliche Öffnung begrenzt ist.Starting from a heat pipe for lowering the temperature in thermally stressed areas of machines, in particular of internal combustion engines, by connecting a heated area with an environment for heat emission, with a Liquid-containing tubular body with a central pipe-like space and on its inner wall is provided with a capillary space, this object is achieved in that the capillary space and the pipe-like space are substantially cylindrical, that the wall of the tubular Body has an outwardly thickened area which is adjacent to one of its ends, and that this end has a has annular final approach which forms a plate head, and by means of which the penetration of the tubular Body is limited in an opening located in a wall of the machine.
Der ringförmige abschließende Ansatz an dem verdickten Ende des rohrförmigen Körpers, der den erwähnten Tellerkopf bildet, obwohl er nicht notwendigerweise die Form eines herkömmlichen Tellerkopfes aufweisen muß, ist der Verbrennungskammer zugewandt, wenn das Wärmerohr in einem Motor in Position gebracht wird. Wegen des ringförmigen abschließenden Ansatzes kann das Wärmerohr darüberhinaus im Preßsitz in einerentsprechenden Öffnung befestigt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß es unter der Wirkung der hohen DrückeThe annular final shoulder at the thickened end of the tubular body, which forms the said plate head, although it does not necessarily have to be in the shape of a conventional pan head, the combustion chamber is when the heat pipe is brought into position in an engine. Because of the annular final Approach the heat pipe can also be secured in a press fit in a corresponding opening without the There is a risk that it will be under the action of high pressures
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in der Verbrennungskammer ausgetrieben wird.is expelled in the combustion chamber.
Wenn das Wärmerohr in eine Maschine anderer Art verwendet wird, wird es so angebracht, daß das verdickte Ende des rohrförmigen Körpers der Wärmequelle zugewandt ist, deren Wärme abgeleitet werden soll, während das andere Ende in einem Bereich zur Wärmeabgabe liegt.If the heat pipe is used in another type of machine, it is placed so that the thickened end of the tubular Body facing the heat source whose heat is to be dissipated, while the other end is in one area for heat dissipation.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der ringförmige abschließende Ansatz einen kegelstumpfförmigen Querschnitt, der in eine entsprechend ausgeformte Auskehlung an der Mündung der in der Wandung der Maschine befindlichen Öffnung eingreift. Dadurch wird die Bruchgefahr für die Kante zwischen der Ausnehmung oder dem Sitz für das Wärmerohr und der Wandung der Verbrennungskammer des Motors ausgeschaltet oder zumindest wesentlich verringert.In a preferred embodiment of the invention, the annular final projection has a frustoconical shape Cross-section into a correspondingly shaped groove at the mouth of the one in the wall of the machine Opening engages. This increases the risk of breakage for the edge between the recess or seat for the heat pipe and the wall of the combustion chamber of the engine switched off or at least substantially reduced.
Falls das Wärmerohr an einem luftgekühlten Motor verwendet werden soll ragt das dem verdickten Ende entgegengesetzte freie Ende in einen Luftraum. In diesem Fall ist die Außenwandung des Wärmerohres, die aus der Wandung des Motors herausragt zur Beschleunigung der Wärmeübertragung vorzugsweise mit Kühlrippen versehen.If the heat pipe is to be used on an air-cooled engine, the one opposite the thickened end protrudes free end in an airspace. In this case, the outer wall of the heat pipe protrudes from the wall of the engine Preferably provided with cooling fins to accelerate the heat transfer.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert :In the following the invention will be explained in more detail with reference to the drawing :
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bildendes Wärmerohr, Fig. 1 shows a longitudinal section through a heat pipe forming an embodiment of the invention,
Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, in welchem zwei Wärmerohre der in Fig. 1 dargestellten Art angebracht sind,Fig. 2 shows a partial section through the cylinder head of an internal combustion engine, in which two heat pipes in Fig. 1 shown type are attached,
Fig. 3 zeigt eine Untersicht in Richtung des Pfeiles III von Fig. 2.FIG. 3 shows a bottom view in the direction of arrow III from FIG. 2.
Das Wärmerohr 10 besitzt einen rohrförmigen Körper 12, in dem eine Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung 14The heat pipe 10 has a tubular body 12, in the one bore with a cylindrical inner wall 14
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ausgebildet ist.is trained.
Die Wandung des Wärmerohres 10 besitzt an einem Ende einen verdickten Bereich 16, der gegenüber dem Hauptteil der Wandung nach außen vorsteht. Am Ende dieses verdickten Bereiches befindet sich ein radial nach außen ragender ringförmiger abschließender Ansatz 18 mit kegelstumpfförmigem Querschnitt. Die Stirnfläche 20 des verdickten Endbereiches 16 verläuft senkrecht zur zentralen Längsachse 22 des Wärmerohres 10.The wall of the heat pipe 10 has at one end a thickened area 16 which is opposite the main part of the wall protrudes outwards. At the end of this thickened area there is a radially outwardly projecting ring-shaped one final approach 18 with a frustoconical cross-section. The end face 20 of the thickened end region 16 runs perpendicular to the central longitudinal axis 22 of the heat pipe 10.
Das dem verdickten Endbereich 16 des Wärmerohres 10 abgewandte Ende j st mit Hilfe eines Stopfens 24 hermetisch verschlossen. Dieser Stopfen 24 kann entweder in dem genannten Ende des Wärmerohres 10 eingeschweißt sein oder in dem Wärmerohr selbst durch plastische Verformung der Rohrwandung eingeschlossen sein.The the thickened end portion 16 of the heat pipe 10 facing away from the end j st hermetically closed by means of a plug 24th This plug 24 can either be welded into the named end of the heat pipe 10 or enclosed in the heat pipe itself by plastic deformation of the pipe wall.
Im Innern des Wärmerohres 10 befindet sich in der Nähe der zylindrischen Innenwandung ein Drahtnetzgewebe oder Maschenzylinder 26, der zusammen mit der zylindrischen Innenwandung 14 einen kapillaren Zwischenraum 28 bildet. Innerhalb des genannten Maschenzylinders 26 befindet sich eine Schraubenfeder30, die den Maschenzylinder trägt und in Position hält. Der Maschenzylinder 26 trennt den kapillaren Zwischenraum 28 von dem ebenfalls zylindrischen zentralen Raum 32.In the interior of the heat pipe 10 there is a wire mesh fabric or mesh cylinder in the vicinity of the cylindrical inner wall 26, which together with the cylindrical inner wall 14 forms a capillary space 28. Within the said Mesh cylinder 26 is a coil spring 30 which carries the mesh cylinder and holds it in position. The mesh cylinder 26 separates the capillary space 28 from the central space 32, which is also cylindrical.
Das Innere des Wärmerohres 10 ist teilweise mit einer Flüssigkeit, z.B. mit unter Vakuum destilliertem Wasser gefüllt. Das Füllen und Verschließen des Wärmerohres 10 muß so vonstatten gehen, daß eine Verunreinigung der Arbeitsflüssigkeit durch Gas oder andere Fremdstoffe ausgeschlossen ist.The interior of the heat pipe 10 is partially covered with a liquid, e.g. filled with water distilled under vacuum. The filling and sealing of the heat pipe 10 must take place in this way go that a contamination of the working fluid by gas or other foreign matter is excluded.
Wenn der verdickte Endbereich 16 einer Temperatur ausgesetzt ist, die hoch genug ist, um die Flüssigkeit zum Kochen zu bringen, und das andere Ende, an dem sich der Stopfen 24 befindet, auf einer niedrigeren Temperatur liegt, findet derWhen the thickened end portion 16 is exposed to a temperature high enough to cause the liquid to boil bring, and the other end, at which the plug 24 is located, is at a lower temperature, finds the
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Wärmetransport durch rasche Zirkulation der Flüssigkeit statt. Diese Zirkulation wird durch einen gleichförmigen Flüssigkeitsfilm in dem durch das Drahtnetzgewebe bestimmten kapillaren Zwischenraum 28 aktiviert. Die Flüssigkeit verdampft in dem verdickten Endbereich 16. Die verdampfte Flüssigkeit bewegt sich von dort in dem zentralen rohrleitungsartigen Raum 32 zu dem anderen Ende, an dem sich der Stopfen 24 befindet und gibt dort ihre Kondensationswärme an die Umgebung ab. Aus dem in dem kapillaren Zwischenraum vorhandenen Flüssigkeitsfilm fließt Flüssigkeit in den verdickten Endbereich 16 nach und wird dort verdampft.Heat transport takes place through rapid circulation of the liquid. This circulation is made uniform by a Liquid film activated in the capillary space 28 determined by the wire mesh fabric. The liquid evaporates in the thickened end region 16. The evaporated liquid moves from there in the central pipeline-like Room 32 to the other end, where the Stopper 24 is located and gives off its heat of condensation there to the environment. From the one in the capillary space existing liquid film flows into the thickened end area 16 and is evaporated there.
In Fig. 2 und 3 ist ein Anwendungsbeispiel für die als Ausführungsbeispiel der Erfindung dienenden Wärmerohre dargestellt. Ein Zylinderkopf 34 eines Dieselmotors mit direkter Einspritzung besitzt eine Verbrennungskammer, in die ein Einlaßventil 36, ein Auslaßventil 38 und eine zentrale Einspritzdüse 40 münden. In der Wandung des Zylinderkopfes sind zwei Wärmerohre 10 montiert, mittels derer die Wärme aus dem Bereich des Wandteiles abgeleitet wird, der zwischen den Sitzen der beiden Ventile 36 und 38 und zwischen diesen beiden Ventilen und der Öffnung 42 liegt, in der die Einspritzdüse 40 in die Verbrennungskammer 44 mündet. Diese Bereiche sind normalerweise thermisch am meisten belastet.In Fig. 2 and 3 is an application example for the as an embodiment the invention serving heat pipes shown. A cylinder head 34 of a diesel engine with direct Injection has a combustion chamber into which an inlet valve 36, an outlet valve 38 and a central injection nozzle 40 open. In the wall of the cylinder head two heat pipes 10 are mounted, by means of which the heat is derived from the area of the wall part between the seats of the two valves 36 and 38 and between them both valves and the opening 42, in which the injection nozzle 40 opens into the combustion chamber 44. These areas are usually the most thermally stressed.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß der verdickte Endbereich 16 des Wärmerohres 10 im Preßsitz in eine zu diesem Zweck in der Wandung 46 des Zylinderkopfes 34 angebrachte Öffnung eingepreßt ist. Jedes Wärmerohr 10 ist so in seinem Sitz befestigt, daß seine Achse 22 senkrecht zur inneren Oberfläche 48 der Wandung 46 der Verbrennungskammer 44 verläuft, so daß die Stirnfläche 20 des rohrförmigen Körpers .10 in einer Ebene mit der Oberfläche 48 der Verbrennungskammer 44 liegt,die - wie aus Fig. 2 erkennbar - gegenüber der Hauptfläche des Zylinderkopfes 34 leicht zurückgesetzt ist.It can be seen from FIG. 2 that the thickened end region 16 of the heat pipe 10 in a press fit into an opening made for this purpose in the wall 46 of the cylinder head 34 is pressed in. Each heat pipe 10 is fixed in its seat in such a way that that its axis 22 is perpendicular to the inner surface 48 of the wall 46 of the combustion chamber 44, so that the end face 20 of the tubular body .10 lies in a plane with the surface 48 of the combustion chamber 44 which - As can be seen from Fig. 2 - opposite the main surface of the Cylinder head 34 is slightly set back.
Eine konische Auskehlung 50 verbindet die in der WandungA conical groove 50 connects those in the wall
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angebrachte öffnung für das Wärmerohr 10 mit der Oberfläche 48 der Verbrennungskammer 44. Diese Auskehlung 50 nimmt den kegelstumpfförmigen ringartigen Ansatz an dem verdickten Endbereich 16 des rohrförmigen Körpers 12 auf und hat zusätzlich die Aufgabe.eine Bruchgefahr der Kante zwischen der Öffnung für das Wärmerohr 10 und der Oberfläche 4S der Wandung 46 der Verbrennungskammer 44 zu vermeiden. Biese Anordnung beseitigt auch die Gefahr, daß das Wärmerohr 10 infolge der während des Betriebes des Motors in der Verbrennungskammer herrschenden hohen Drücke aus der in der Wandung 46 angebrachten Öffnung herausgedrückt wird. Die konische Oberfläche der Auskehlung 50 und die des ringförmigen Ansatzes 18 müssen selbstverständlich sehr genau ineinandergreifen. Das gleiche gilt für die Wand der Öffnung, die das Wärmerohr 10 aufnimmt und die äußere Oberfläche des verdickten Endbereiches 16 des rohrförmigen Körpers 12, die mit ihr in Eerührung steht, um einen gasdichten Verschluß, einen guten thermischen Kontakt und eine wirksame Wärmeübertragung von der Wandung 46 des Zylinderkopfes 34 zu dem Wärmerohr 10 sicherzustellen.Attached opening for the heat pipe 10 with the surface 48 of the combustion chamber 44. This groove 50 takes the frustoconical ring-like extension on the thickened end portion 16 of the tubular body 12 and has in addition, the task. a risk of breakage of the edge between the opening for the heat pipe 10 and the surface 4S of the Wall 46 of the combustion chamber 44 to avoid. This arrangement also eliminates the risk that the heat pipe 10 as a result of the high pressures prevailing in the combustion chamber during operation of the engine from that in the wall 46 attached opening is pushed out. The conical surface of the groove 50 and that of the annular shoulder 18 must of course mesh very closely. The same goes for the wall of the opening that the Heat pipe 10 receives and the outer surface of the thickened end portion 16 of the tubular body 12, which with her is in touch with a gas-tight seal, good thermal contact and effective heat transfer from the wall 46 of the cylinder head 34 to the heat pipe 10 to ensure.
Der mittlere Bereich 32. des rohrförmigen Körpers 12 und das durch den Stopfen 24 verschlossene Ende des Wärmerohres 10 tauchen in die normale Kühlflüssigkeit des Motors ein und zwar in einem Bereich, in dem diese, wie aus Fig. 2 erkennbar, aktiv zirkuliert. Wenn das Wärmerohr 10 bei einem Motor verwendet wird, dessen normales Kühlmedium eine Flüssigkeit ist, kann die äußere Oberfläche des mittleren Teiles 52 glatt ausgebildet sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Falls es sich hingegen um einen luftgekühlten Motor handelt, ist die Außenwandung des mittleren Teiles 52 vorzugsweise mit (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Kühlrippen versehen, die durch Vergrößerung der Berührungsfläche einen besseren thermischen Kontakt gewährleisten.The central region 32 of the tubular body 12 and the end of the heat pipe 10 closed by the plug 24 are immersed in the normal cooling liquid of the engine in an area in which it actively circulates, as can be seen from FIG. When the heat pipe 10 is used in an engine whose normal cooling medium is a liquid, the outer surface of the central part 52 can be made smooth as shown in FIG. If, on the other hand, it is an air-cooled motor, the outer wall of the middle part 52 is preferably provided with cooling ribs (not shown in the drawings) which ensure better thermal contact by enlarging the contact surface.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Dicke der Wandung 46 der Verbrennungskammer lokal durch einen Vorsprung 54 verstärktFrom Fig. 2 it can be seen that the thickness of the wall 46 of the combustion chamber is locally increased by a projection 54
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ist. Der Zweck dieser Wandverstärkung besteht darin, die Kontaktfläche zwischen dem Wärmerohr 10 und der Wandung 46 zu vergrößern. Es versteht sich, daß diejenigen Oberflächen des Wärmerohres 10, die Wärme an die kühlere Umgebung abgeben sollen, dem jeweiligen Zweck entsprechend groß gewählt sein müssen, indem die größtmögliche Länge des Wärmerohres dem Kühlmittel ausgesetzt wird, d.h. indem die wärmeabgebenden Teile des Wärmerohres innerhalb der durch die übrige Konstruktion gegebenen Grenzen so lang wie möglich gemacht wird.is. The purpose of this wall reinforcement is to create the contact area between the heat pipe 10 and the wall 46 to enlarge. It goes without saying that those surfaces of the Heat pipe 10, which give off heat to the cooler environment should, must be selected according to the respective purpose, by adding the greatest possible length of the heat pipe to the Coolant is exposed, i.e. by placing the heat-emitting parts of the heat pipe within the rest of the construction given limits is made as long as possible.
Die Wirkung des vorangehend als Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebenen Wärmerohres 10 ist in zweifacher Hinsicht verbessert: Zunächst nimmt das Wärmerohr 10 Wärme direkt mit der Stirnfläche 20 auf; darüber hinaus absorbiert es Wärme durch den Wärmekontakt mit der Oberfläche der in der Wandung 46 des Zylinderkopfes 44 angebrachten Öffnung, in die es mit seinem verdickten Endbereich 16 im Preßsitz eingebracht ist und die präzise Berührung mit der konischen Auskehlung 50. Infolgedessen geben alle Wandbereiche, die in der Nachbarschaft der das Wärmerohr 10 beherbergenden Öffnung liegen, Wärme an dieses ab, so daß sich das Wärmerohr 10 wie eine außerordentlich wirksame Kühlrippe verhält, die die Temperatur des umgebenden Metalles beträchtlich herabsetzt.The effect of the heat pipe 10 described above as an exemplary embodiment of the invention is improved in two respects: First, the heat pipe 10 takes heat directly with the end face 20; in addition, it absorbs heat through thermal contact with the surface of the in the wall 46 of the cylinder head 44 attached opening, in which it is introduced with its thickened end region 16 in a press fit and the precise contact with the conical Groove 50. As a result, there are all of the wall areas in the vicinity of the opening housing the heat pipe 10 lie, heat to this, so that the heat pipe 10 behaves like an extremely effective cooling fin that the temperature of the surrounding metal is considerably reduced.
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Legal Events
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