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Die Erfindung bezieht sich auf ein steuerbares Wärmerohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein solches Wärmerohr ist aus der DE-AS 22 30 030 bekannt. Bei diesem Wärmerohr ist als Steuerzone ein Hilfshohlkörper vorgesehen, der mittels einer Rohrleitung mit der Dampfseite des Wärmerohrs, d. h. derjenigen Stelle, an der Wärme zugeführt wird, verbunden ist. Der Hilfshohlkörper steht mit einem Peltierelement in gut wärmeleitender Verbindung, wobei das Peltierelement durch wahlweise elektrische Umschaltung entweder als Heizeinrichtung oder als Kühleinrichtung dient. Auf diese Art und Weise kann das Arbeitsmittel im Hilfshohlkörper verdampft oder kondensiert werden und dementsprechend die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Menge des Arbeitsmittels im Wärmerohr selbst verändert werden, wodurch dessen Wärmeübertragungsfähigkeit steuerbar ist. Auf Grund der Anordnung des mit der Rohrleitung verbundenen Hilfshohlkörpers hat dieses Wärmerohr einen großen Platzbedarf und erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand, da insbesondere die Rohranschlüsse dampfdicht ausgebildet sein müssen.
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Aus der GB-PS 22 272 ist ein Wärmerohr bekannt, dessen Wärmeübertragungszone gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet ist. Ferner ist aus der US-PS 34 14 050 ein Wärmerohr bekannt, das einen Verdampfungsabschnitt für Wärmezufuhr und einen Kondensationsabschnitt für Wärmeabfuhr aufweist, die mittels einer Blende voneinander getrennt sind. Der Öffnungsgrad der Blende ist hierbei mechanisch steuerbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein steuerbares Wärmerohr zu schaffen, das kompakten Aufbau hat, hinsichlich den konstruktiven Anforderungen an Dampfdichtigkeit einfach ist und nur geringen Platz beansprucht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Da die Steuerzone sich unmittelbar an die Wärmeübertragungszone anschließt, kann das Wärmerohr als Gesamtes bestehend aus Steuerzone und Wärmeübertragungszone einstückig aufgebaut sein, wodurch absolute Dampfdichtigkeit gewährleistet ist. Darüberhinaus kann hierdurch das Wärmerohr selbst bei engsten Platzverhältnissen einfach eingebaut werden.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Insbesondere kann gemäß Unteranspruch 6 aufgrund der kompakten Bauweise des Wärmerohrs einfach auf eine eigene Wärmequelle für die Steuerzone verzichtet werden, wobei diese dann zur Temperaturerhöhung oder- Erniedrigung wahlweise den Strömungsmitteln selbst ausgesetzt ist, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfindet.
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Ausführungsbeispiele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Fig. 1 bis 5 der Zeichnungen zeigen schematisch Ausführungsbeispiele von steuerbaren Wärmerohren, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet ist.
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Fig. 1 zeigt ein gesteuertes Wärmerohr, bei dem die Steuerzone mit der Wärmeübertragungszone unter einem Winkel verbunden ist. Dieses Wärmerohr hat einen Verdampferabschnitt 1, einen adiabatischen Abschnitt 2, einen Kondensationsabschnitt 3, eine Wärmeübertragungszone 4, einen weiteren adiabatischen Abschnitt 5, einen Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 und eine Steuerzone 7. Die Wärmeübertragungszone 4, die aus den Abschnitten 1, 2 und 3 besteht, ist bezüglich einer waagerechten Ebene um einen Winkel (α) 8 geneigt, und die Steuerzone 7 die aus den Abschnitten 5 und 6 besteht, ist bezüglich der waagerechten Ebene um einen Winkel (β) 9 geneigt. Der Winkel (α ) 8 liegt im Bereich von 0 bis 90° und wird entsprechend den speziellen Einsatzbedingungen des Wärmerohres gewählt. Im praktischen Einsatz beträgt er 10° oder mehr. Der Winkel (β) 9 beträgt im praktischen Einsatz in der Regel 10° oder mehr.
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Fig. 2 zeigt ein gesteuertes Wärmerohr, bei dem sich die Steuerzone 7 am oberen Ende des Wärmerohres befindet. Die Steuerzone 7 ist mit einer Flüssigkeitstrennwand 10 versehen. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Wärmerohres gemäß Fig. 2, bei dem die Steuerzone 7 am unteren Ende des Wärmerohres angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Flüssigkeitstrennwand 10 an der Grenze zum Verdampferabschnitt 1 angeordnet. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 und 3 sind der Düsendurchmesser (a) und die Düsenlänge (l) der Flüssigkeitstrennwand 10 unter Berücksichtigung der Abmessungen des Wärmerohres und der Menge des im Wärmerohr eingeschlossenen Arbeitsmittels festgelegt.
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Der Aufbau der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wärmeübertragungszone 4 stimmt mit der Ausbildung dieser Zone bei einem herkömmlichen Wärmerohr überein. Die Wärmeübertragungszone 4 kann mit einem Docht versehen sein. Mit Ausnahme der Flüssigkeitstrennwand 10 stimmt auch der Aufbau der in Fig. 3 gezeigten Wärmeübertragungszone 4 mit der eines herkömmlichen Wärmerohres überein. Der adiabatische Abschnitt 5 der Steuerzone 7 der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 3 hat vorzugsweise keinen Docht; das Vorhandensein eines Dochtes würde jedoch die praktische Anwendbarkeit nicht beeinträchtigen, da gewöhnliche Dochte keine große Kapillarwirkung haben. Der Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 der Steuerzone 7 kann mit einem Docht versehen sein. Bezüglich des Dochtes gilt für den Verdampfungs- Kondensations-Abschnitt 6 das gleiche wie für die Wärmeübertragungszone 4. Wenn die Steuerzone 7 und die Wärmeübertragungszone 4 gleichen Rohrdurchmesser haben, beträgt die Länge der Steuerzone 7 vorzugsweise 1/5 bis 1/2 der Länge der Wärmeübertragungszone 4.
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Fig. 4 zeigt ein gesteuertes Wärmerohr, bei dem der Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 der Steuerzone 7 mit einem Drahtgewebe und anderen Materialien gefüllt ist, die eine große Flüssigkeitsspeicherkapazität haben. Das Wärmerohr gemäß Fig. 4 weist den Verdampfungsabschnitt 1, den adiabatischen Abschnitt 2, den Kondensationsabschnitt 3 und damit die Wärmeübertragungszone 4, den weiteren adiabatischen Abschnitt 5, den Verdampfungs-Kondensations-Abschnitt 6 und damit die Steuerzone 7 auf. Das Wärmerohr ist bezüglich der waagerechten Ebene um den Winkel (α) 8 geneigt. Dazu hat das Wärmerohr in der Steuerzone 7 einen Einsatz 11 mit einer großen Flüssigkeitsspeicherkapazität und eine Strömungsblende 12.
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Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 4, bei der ein Teil des Verdampferabschnittes 1 oder der gesamte Verdampferabschnitt 1 der Wärmeübertragungszone 4 mit dem Einsatz 11 gefüllt ist. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4 und 5 liegt der Winkel (α) 8 im Bereich von 0 bis 90°. Die Menge, die Form und der Werkstoff des Einsatzes 11, die Form und der Werkstoff der Strömungsblende 12 und die Form des Dampfkanals im Einsatz 11 sind entsprechend den speziellen Anforderungen bei der Herstellung und beim Einsatz des Wärmerohres festgelegt. Wenn die Steuerzone 7 und die Wärmeübertragungszone 4 gleichen Rohrdurchmesser haben, liegt die Länge der Steuerzone 7 vorzugsweise zwischen 1/5 und 1/2 der Länge der Wärmeübertragungszone 4.
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Die Wärmeübertragungskapazität und andere Kenngrößen eines gesteuerten Wärmerohres können auf folgende Weise gesteuert werden. Es sei für jedes der Ausführungsbeispiele angenommen, daß die Temperatur der Steuerzone 7 höher als die des Kondensationsabschnittes 3 der Wärmeübertragungszone 4 und niedriger als die des Verdampfungsabschnittes 1 der Wärmeübertragungszone 4 ist. Ferner sei angenommen, daß eine bestimmte Menge Arbeitsmittel in der Wärmeübertragungszone 4 und in der Steuerzone 7 vorhanden ist. Der im Verdampferabschnitt 1 erzeugte Dampf des Arbeitsmittels wird nur im Kondensationsabschnitt 3 verflüssigt, und die kondensierte Flüssigkeit fließt zum Verdampferabschnitt 1, so daß eine Wärmeübertragung zwischen dem Verdampferabschnitt 1 und dem Kondensationsabschnitt 3 erfolgt. In der Steuerzone 7 steht das kondensierte flüssige Arbeitsmittel im Gleichgewicht mit dem Dampf, so daß die in der Steuerzone 7 vorhandene Menge des Arbeitsmittels weder zunimmt, noch abnimmt. Dies heißt, daß zwischen der Wärmeübertragungszone 4 und der Steuerzone 7 kein Arbeitsmittel fließt, und daß sich die Wärmeübertragungszone 4 des Wärmerohres im gleichen Zustand wie bei einem herkömmlichen Wärmerohr befindet. Wenn die Wärmeübertragungskapazität in der Wärmeübertragungszone 4 verringert werden soll, wird die Steuerzone 7 mit Hilfe einer externen Wärmequelle gekühlt. Wenn sich die Temperatur der Steuerzone 7 der Temperatur des Kondensationsabschnittes 3 nähert, wird ein Teil des Dampfes, der im Verdampferabschnitt 1 erzeugt worden ist, in der Steuerzone 7 kondensiert. Dieses kondensierte Arbeitsmittel fließt nicht zum Verdampferabschnitt 1 zurück, und die entsprechende Verringerung der Menge des Arbeitsmittels in der Wärmeübertragungszone 4 führt zu einer Verringerung der Wärmeübertragungskapazität. Wenn die Temperatur der Steuerzone 7 sogar unter die des Kondensationsabschnittes 3 gesenkt wird, fließt das Arbeitsmittel aus der Wärmeübertragungszone 4 schnell zur Steuerzone 7 und wenn diese schnelle Bewegung des Arbeitsmittels in nur einer Richtung andauert, verliert die Wärmeübertragungszone 4 das Arbeitsmittel vollständig, so daß sie nicht länger als Wärmerohr arbeiten kann. Auf gleiche Weise kann vorgegangen werden, um die Temperatur des Verdampferabschnittes 1 zu erhöhen, die Temperatur des Kondensationsabschnittes 3 zu verringern oder eine Erhöhung des Innendruckes des Wärmerohres zu verhindern.
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Die Beschränkung der Wärmeübertragungskapazität kann wieder beseitigt werden, indem die Steuerzone 7 mittels einer externen Wärmequelle erwärmt wird. Wenn sich die Temperatur der Steuerzone 7 der Temperatur des Verdampferabschnittes 1 nähert, kondensiert im Kondensationsabschnitt 3 nicht nur der Dampf des Arbeitsmittels, der im Verdampferabschnitt 1 erzeugt worden ist, sondern auch der Dampf, der in der Steuerzone 7 erzeugt worden ist. Dies hat zur Folge, daß die Menge des Arbeitsmittels in der Wärmeübertragungszone 4 zunimmt und daß die Wärmeübertragungskapazität auf ihren alten Wert zurückgebracht wird. Das Arbeitsmittel bewegt sich aus der Steuerzone 7 zur Wärmeübertragungszone 4 schneller, wenn die Temperatur der Steuerzone 7 höher als die der Verdampferzone 1 gemacht wird. Auf die gleiche Weise kann die Temperatur der Verdampferzone 1 verringert, die Temperatur der Kondensationszone 3 erhöht oder die Begrenzung der Zunahme des Innendruckes des Wärmerohres beseitigt werden. Indem die Temperatur der Steuerzone 7 auf einem konstanten Wert gehalten wird, kann die übertragene Wärmemenge, die Temperatur der Wärmeübertragungszone 4 oder der Innendruck des Wärmerohres innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten werden und zwar trotz Änderungen der Temperatur und anderer thermischer Zustandsgrößen der zu erwärmenden oder zu kühlenden Bauteile und Vorrichtungen; dies ist für den Fachmann in Anbetracht der vorstehenden Beschreibung naheliegend.
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Beispiel für eine externe Wärmequelle zur Steuerung der Temperatur der Steuerzone 7 sind elektrische Heizvorrichtungen, Verbrennungsgase, Dampf, Wasser und Luft sowie das warme oder kalte Fluid, das von der Wärmeübertragungszone 4 gekühlt oder erwärmt werden soll. Man kann auch gewöhnlichen Wärmerohren, d. h. an sich nicht gesteuerten Wärmerohren, eine Steuerfunktion geben. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 6 gezeigt. Das in Fig. 6 gezeigte Wärmerohr ist bezüglich der waagerechten Ebene geneigt und an seinem unteren Ende mit der Steuerzone 7 sowie an seinem oberen Ende mit der Wärmeübertragungszone 4 versehen. Der Winkel (α) 8, um den das Wärmerohr bezüglich der waagerechten Ebene geneigt ist, liegt zwischen 2° und 90°, vorzugsweise zwischen 5° und 30°. Anders als das Wärmerohr gemäß Fig. 1 oder 5, strömt beim Wärmerohr gemäß Fig. 6 eine gewisse Menge der kondensierten Flüssigkeit zwangsläufig aus der Wärmeübertragungszone 4 in die Steuerzone 7. Damit das Wärmerohr im Gleichgewichtszustand arbeiten kann, muß daher in der Steuerzone 7 etwas kondensiertes Arbeitsmittel verdampft werden und muß der sich ergebende Dampf im Kondensationsabschnitt 3 verflüssigt werden. Dies heißt, daß mehr Wärme benötigt wird, um dem gewöhnlichen Wärmerohr die Steuerfunktion zu geben, als Wärme zur Steuerung der steuerbaren Wärmerohre benötigt wird. Mit Ausnahme der Notwendigkeit, die Temperatur der Steuerzone 7 höher als bei steuerbaren Wärmerohren zu erhalten, weil eher kondensiertes Arbeitsmittel in die Steuerzone 7 strömt, kann das gewöhnliche Wärmerohr ansonsten auf gleiche Weise gesteuert und mit der gleichen Steuerfunktion versehen werden, so daß es auf gleiche Weise wie ein steuerbares Wärmerohr für industrielle Anwendungsfälle brauchbar ist.