-
Wärmeübertragendes Element mit Wärmerohr
-
Die Erfindung betrifft ein wärmeübertragendes Element als Teil einer
zu beheizenden Einrichtung, beispielsweise eines Ofens, das aus einer Basis aus
wärmebeständigem Material und mit wenigstens einem, mit dieser verbundenen Wärmerohr
(heat pipe), besteht.
-
Es ist bekannt, sog. Wärmerohre für Öfen und andere beheizbare Einrichtungen,
beispielsweise Trockenschränke, mit Wärmerohren auszustatten. Die so ausgestatteten
Öfen erfüllen im allgemeinen eine besonders hohe Anforderung an die Temperaturkonstanz
und -uniformität über das Ofeninnere. Wärmerohre arbeiten nach dem Prinzip, daß
in einem geschlossenen Rohr, vorzugsweise aus Metall, ein verdampfbares Fluid eingeschlossen
ist, das bei Wärmezufuhr an einer Stelle des Rohres verdampft und die Wärme in latenter
Form an einer anderen Stelle des Ofens dadurch überträgt, daß es dort kondensiert.
Der Rücktransport des flüssigen, kondensierten Fluids erfolgt über eine an der Innenwand
des Wärmerohres angebrachten Kapillarschicht (wick). Das flüssige Fluid wird dann
erneut verdampft, so daß sich der Kreislauf und damit Wärmetransport wiederholen
kann. Derartige Wärmerohre haben eine außerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit,
die
wesentlich größer ist als die eines massiven Metallstabes der gleichen Abmessungen,
der beispielsweise aus Kupfer oder Silber hergestellt ist.
-
Damit eignet sich das Wärmerohr in hervorragender Weise für die Vergleichmäßigung
nicht-isothermer Ofenräume. Eine ausführliche Diskussion des Aufbaus, der Anwendung
und der theoretischen Grundlagen der Wärmerohre finden sich in folgenden Literaturstellen:
a) ASSELMAN, G. A. A. GREEN, D. B., Philips Techn. T.
-
33, 108 - 117 und 143 - 154, Jahrgang 19-73; b) EASTMAN, G. Y., Scientific
American, Heft Mai 1978 Als Stand der Technik wird ausgegangen von Produktbeschreibungen
des Prospektes der Firma PHILIPS NEDERLAND B. V., Eindhoven, mit dem Titel "Warmtepijpen
voor isotherme ovens". In der letztgenannten Druckschrift ist bereits vorgeschlagen
worden, gerade Wärmerohre in einer zylinderförmigen oder quaderförmigen Anordnung,
die einen Ofenraum umgibt, dazu zu verwenden, eine gleichmäßige Wärmeverteilung
über die Länge des Ofens zu erreichen. Als eigentliche Heizelemente werden elektrische
Widerstandsheizdrähte
verwendet, insbesondere solche, die unter
dem Namen THERMOCOAX( Warenzeichen der Firma SODERN (Societe Anonyme d'Etudes et
Realisation nucleaires, Suresnes, Frankreich», angeboten werden. Es hat sich gezeigt,
daß die Verwendung gerader Wärmerohre gewisse Nachteile mit sich bringt, die insbesondere
darin bestehen, daß die Bauformen des damit bestückten Ofens begrenzt sind.
-
Wenn eine ebene oder leicht gewölbte Basisplatte mit einem Register
paralleler, nicht untereinander verbundener Wärmerohre versehen ist, so können wegen
der von Rohr zu Rohr unterschiedlichen Dampfdrücken die Temperaturen der Rohre verschieden
sein. Damit ist die Temperaturverteilung nicht mehr uniform.
-
Uniformität kann nur dann gegeben sein, wenn die Wärmerohre als ein
gemeinsames System miteinander verbunden sind; d.h. daß die geraden Rohre durch
querliegende Rohre zu verbinden sind. Letzteres erfordert einen Johen Aufwand an
gasdichten Schweißarbeiten und wird im allgemeinen als zu kostspielig abgelehnt.
Dabei sind diese Nachteile unabhängig davon, wie das wärmeübertragende Element beheizt
wird.
-
Es stellt sich damit die Aufgabe, ein wärmeübertragendes Element zu
schaffen, das einmal modulartig in Form von Platten oder gewölbten Bauteilen hergestellt
werden kann und das mit einem minimalen Bauaufwand -d.h. insbesondere ohne Querverbindungsrohre
- eine hohe Temperaturuniformität und -vergleichmäßigung über die Fläche ermöglicht.
Mit den Elementen sollen in einfacher Weise Ofenwände, aber auch ganze Röhren-oder
Muffelöfen hergestellt werden können.
-
Es stellt sich weiterhin die Aufgabe, die Wärmeübertragung im Bereich
der Wände von Röhren- oder Muffelöfen einfacher als mit einem Kranz von einzelnen,
getrennten Wärmerohren auszuführen, so daß die Kosten gesenkt werden können.
-
Diese Aufgaben gemäß Erfindung werden durch ein wärmeübertragendes
Element der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Basis eines einzelnen Elementes
mit einem oder mehreren gekrümmten Wärmerohren belegt ist.
-
In der Literaturstelle b, wie eingangs zitiert, wird zwar darauf hingewiesen,
daß gerade Wärmerohre in verschiedenen Zusammenstellungen herstellbar sind.
-
Aus der genannten weiteren Literatur sind aber Verfahrensvorschriften
für die Herstellung derartiger Rohre nicht bekannt. In einer am gleichen Tage eingereichten
weiteren Patentanmeldung P (internes Aktenzeichen OA 28) wird ein Verfahren zur
Herstellung gekrümmter Wärmerohre (heat pipes) angegeben, wobei Wärmerohre erhalten
werden, die aus einem Mantelrohr bestehen, an dessen Innenwand sich ein zylindrisches
Dochtelement aus elastischem Metallgewebe anschmiegt, wobei das Mantelrohr mit dem
Dochtelement zur Befüllung mit einem Wärme übertragenden Fluid geeignet ist. Das
Verfahren zur Herstellung gebogener Wärmerohre mit derartigen Merkmalen umfaßt folgende
Verfahrensschritte: a) Zuschneiden einer Bahn des Metallgewebes, wobei sich die
Flächengestalt der Bahn als Abwicklung eines Zylindermantels ergibt, b) Wickeln
und Biegen des Metallgewebezuschnitts-unter Spannung zu einem zylindrischen Dochtelement,
wobei die Ränder der gewickelten Bahn sich in gewickeltem Zustand überlappen, c)
Einführen des Dochtelementes in das Innere des
Mantelrohres, d)
Biegen des Mantelrohres zusammen mit dem eingeführten Dochtelement, e) Befüllen
und Verschließen des Wärmerohres in an sich bekannter Weise.
-
Insbesondere wird eine Bahn aus Metallgewebe oder Metallvlies verwendet,
die wendelförmig zu einem zylindrischen Dochtelement gewickelt wird. Es wird aber
ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch an dere, der Anmelderin derzeit nicht
bekannte Verfahren zur Herstellung gekrümmter Wärmerohre zur Realisation der eingangs
genannten Erfindungsaufgabe und -lösung geeignet sind.
-
Vorzugsweise wird das Element als Heizelement ausgebildet, d.h. ein
Widerstandsheizdraht ist so angeordnet, daß er elektrisch isoliert den Krümmungen
des oder der Wärmerohre folgend zu diesen benachbart angeordnet ist.
-
Wird ein solches Heizelement als eine ebene oder leicht gewölbte Platte
ausgebildet, so werden mit Vorteil auf deren Fläche ein flächendeckend gebogenes
Wärmerohr
und der Widerstandsdraht in gleicher Anordnung befestigt.
Unter einer "flächendeckenden" Konfiguration werden beispielsweise mäanderförmige,
spiralförmige oder zickzackförmige Konfigurationen verstanden. Dabei soll erreicht
werden, daß nur ein einziges Wärmerohr mit jedem Heizelement verbunden ist, nicht
jedoch ein ganzes Register parallel liegender Rohre.
-
Die gute Wärmeverteilung und Uniformität gründe sich darauf, daß für
eine bestimmte Heizfläche ein gebogenes Heizrohr mit einem einzigen Dampfdrucksystem
verwendet wird. Da der Anspruch auch die Verwendung mehrerer Heizrohre umfaßt, müssen
naturgemäß innerhalb der technisch gegebenen Grenzen Abstriche an der Gleichmäßigkeit
der Temperatur über eine größere Anzahl derartiger gebogener Heizrohre gemacht werden.
Es zeigt sich jedoch deutlich, daß die Gleichmäßigkeit der Wärmeabgabe über ein
mit einem gekrümmten Rohr 6elegtes Flächenelement wesentlich gleichmäßiger ist als
bei Belegung mit einem Rohr-Register, bei dem Rohre nicht miteinander verbunden
sind.
-
Es sei auch darauf hingewiesen, daß bei nur lokaler Erhitzung des
Wärmerohres an einem Ende zwar eine sehr gute Wärmeübertragung stattfindet, die
Gleichmäßigkeit
der Erwärmung jedoch kleiner ist als bei einem
auf gesamter Länge mit Widerstandsdraht erhitztem Wärmerohr.
-
Wenn das Wärmerohr auf der Oberfläche der Plattenbasis aufliegt, bildet
sich im Bereich zwischen dem Fußpunkt des Rohres und der Basisoberfläche ein Winkelraum
aus. In diesen Winkelraum, also quasi im Schatten des Wärmerohres, werden vorzugsweise
einzeln oder doppelt, sich gegenüberliegend, die Widerstandsheizdrähte angeordnet,
die dann durch das Wärmerohr festgehalten werden. Gleichzeitig stehen sie mit diesem
in Kontakt. Eine direkte Strahlung geht demnach vom Widerstandsheizdraht nicht aus.
-
Wird dagegen das Heizelement als ein rohrförmiges Gebilde, z.B. Zylinderrohr,
gestaltet, so wird gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag an der Außen-und/oder
Innenseite ein wendelförmig gekrümmtes Wärmerohr angeordnet, zu dem benachbart der
Widerstandsdraht angeordnet ist. Durch eine solche Wärmerohrkonfiguration läßt sich
in den meisten Fällen die erforderliche Temperaturverteilungsuniformität genauso
erreichen, wie mit einem Kranz von Wärmerohren, die um das Rohr herum liegen.
-
Schließlich wird noch der Vorschlag gemacht, als Widerstandsdraht
einen solchen zu benutzen, bei dem der eigentliche elektrische Widerstandsdraht
von einer pulverförmigen Isolierung und einem darum gelegten Metallmantel umschlossen
ist, wobei der Metallmantel im Kontakt steht mit der Außenfläche des Wärmerohres.
Derartige Widerstandsdrähte werden, wie eingangs erwähnt, unter dem Warenzeichen
THERMOCOAX angeboten.
-
Funktion und Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung werden anhand
der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen: Figur 1 Draufsicht auf ein Heizelement
gemäß Erfindung; Figur 2 eine Schnittansicht gemäß der Linie II ... II der Figur
1; Figur 3 eine vergrößerte Darstellung des Wärmerohres mit den elektrischen Widerstandsdrähten;
Figur 4 eine andere Anordnung zur Erzeugung eines Heizelementes mit einem gekrümmten
Wärmerohr.
-
In der Figur 1 ist ein Heizelement als Teil einer zu beheizenden Einrichtung,
beispielsweise eines Ofens, dargestellt, das aus einer Basis 1 aus wärmebeständigem
Material, beispielsweise aus Faserisoliermaterial besteht, wobei mit der Basis ein
gekrümmtes Wärmerohr 2 und eine Anordnung aus elektrischen Widerstandsheizdrähten
3 verbunden sind. Das Wärmerohr 2 besteht aus einem mehrfach mäanderförmig gebogenen
wärmebeständigem Metallrohr, das in seinem Inneren ein Dochtelement 4 aus Metall-Tressen-Gewebe
trägt, das als Rückführungskapillarschicht für das sich im Inneren befindliche Fluid
dient. Weitere Einzelheiten zu der Funktion und dem Aufbau des Wärmerohres brauchen
hier nicht erläutert zu werden, da diese dem eingangs genannten Stand der Technik
zu entnehmen sind. Das Biegen des Heizrohres erfolgt in der in der gleichzeitig
eingereichten Anmeldung des Anmelders beschriebenen Weise. Es ist jedoch auch möglich,
auf andere, an sich bekannte Weise gebogene und mit einer Kapillarschicht ausgestattete
Wärmerohre zu verwenden.
-
Das Heizelement gemäß den Figuren 1 und 2 besitzt eine ebene Basis,
die auf einem oder mehreren Trägern 5 befestigt und stabilisiert ist. Das Wärmerohr
wird mit Hilfe von temperaturfesten Drähten 6 in an
sich bekannter
Weise auf der Oberfläche der Basis 1 festgelegt. In dem sich zwischen Wärmerohr
und Basisoberseite befindenden Winkelräumen 7 werden die Widerstandsheizdrähte einzeln
oder sich paarweise gegenüber liegend so angeordnet, daß sie elektrisch isoliert
gegenüber dem Wärmerohr sind und gleichzeitig seiner Krümmung folgend verdeckt angeordnet
sind. Im vorliegenden Beispiel bestehen die Widerstandsheizdrähte aus THERMOCOAX
oder aus einem ähnlich aufgebautem Material.
-
Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung der Heizelemente gemäß den
Figuren 1 bis 3 eine sehr hohe Temperaturuniformität über die Heizfläche erreicht
werden kann, so daß in vielen Fällen auf eine zusätzliche elektrische Regelung durch
Regler oder Thyristoreinheiten und dergleichen verzichtet werden kann. Als vorteilhaft
wird auch angesehen, daß das Heizelement als modulartiges Konstruktionselement zum
Aufbau größerer Ofenräume zur Verfügung steht. Dabei werden beispielsweise Abmessungen
der Basisfläche von 50 x 60 cm gewählt. In diesem Falle ist das Heizrohr 250 cm
lang.
-
Vorzugsweise sind die Widerstandsheizdrähte so angeordnet, daß sie
dem Wärmeohr auf der gesamten Länge folgen, um eine möglichst hohe wärmeabgebende
Fläche
zu erhalten. Es ist jedoch auch möglich, nur bestimmte Abschnitte
oder Zonen des Wärmerohres zu beheizen, wobei sich in an sich bekannter Weise das
Wärmerohr auf seiner gesamten Länge erhitzt. Während bei einer gleichmäßigen Verteilung
und Zuordnung von Widerstandsheizdraht und Wärmeohr eine Temperaturkonstanz von
0,1 bis 0,50 C über die Fläche verteilt erreichen läßt, ist bei einer abschnittsweisen
Erhitzung die Temperaturdifferenz naturgemäß größer (angenommener Wert ca. 1 - 3
° C als maximale Unterschiede bei der genannten Platte).
-
Der Aufbau eines solchen, als Modul geeigneten Heizelementes ist in
vielen Fällen preiswerter als die Verwendung großflächig angeordneter Heizwendel,
die von keramischen Rohren getragen werden.
-
Figur 4 zeigt eine andere Anordnung. Hierbei wird ebenfalls ein gekrümmtes
Wärmerohr 12 verwendet, das jedoch wendelförmig gekrümmt ist und in demvon ihm aufgespannten
Innenraum ein Keramikrohr 13 enthält, das wiederum in seinem Inneren den eigentlichen
Ofenraum enthält. Parallel und benachbart zum Wärmerohr ist ein Widerstandsheizdraht
14 fest um das Rohr gewickelt, so daß er ähnlich, wie dies Figur 3 zeigt,
sowohl
in Kontakt mit dem Keramikrohr 13 als auch mit dem Wärmerohr 12 steht. Das Wärmerohr
12 ist in sich geschlossen und hat demnach Anfang und Ende, die unmittelbar am Keramikrohr
13 enden; dagegen wird der Widerstandsheizdraht nach außen geführt und mit einer
Spannungsquelle verbunden.
-
Auch diese Konfiguration eignet sich hervorragend, preiswerte und
mit hoher Temperaturkonstanz arbeitende Öfen oder Brennrohre zu bauen.