DE3526574C1 - Kapillarunterstuetzter Verdampfer - Google Patents
Kapillarunterstuetzter VerdampferInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapillarunterstützten Ver
dampfer zur Wärmeaufnahme und zum Transport eines Wärme
trägermediums gemäß dem Oberbegriff des einzigen Patentanspruchs.
Kapillarverdampfer sind in sogenannten "Two-Phase Flow"-
Wärmetransportkreisläufen einsetzbar. Darunter sind Wärme
transportsysteme zu verstehen, mit denen anfallende Ver
lustwärme im Verdampferelement aufgenommen und unter Ver
dampfung eines geeigneten Wärmeträgermediums als latente
Wärme im Dampf zum Kondensator transportiert und dort an
eine Wärmesenke abgegeben wird. Derartige Kapillar
verdampfer ermöglichen Wärmeströme von dissipierenden
Komponenten hoher Leistungsdichte aufzunehmen und auf
einen verdampfenden Wärmeträger zu übertragen. Die darin
verwendete Kapillarstruktur bewirkt die Verteilung des
flüssigen Mediums entlang der wärmeaufnehmenden Wand, sowie
ein Druckpotential zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphase
des Wärmeträgers. Dadurch wird der erforderliche Kreis
lauf des Wärmeträgers und damit die Zufuhr des flüssigen
Mediums zum Verdampfer (Wärmequelle) ermöglicht. Dies gilt
insbesondere für Anwendungen in Schwerelosigkeit (Raum
fahrt). Solche Kapillarverdampfer sind als thermische Kompo
nenten in Wärmetransportsystemen besonders vorteilhaft
einsetzbar, wenn ein Betrieb bei geringsten Vibrationen
und Zusatzbeschleunigungen (keine mechanisch bewegten
Teile) sowie ohne zusätzlichen Leistungsbedarf erforder
lich ist. Der Kapillarverdampfer wird dazu in den Kreis
lauf so eingekoppelt, daß das Wärmeträgermedium als unter
kühlte Flüssigkeit zugeführt wird und nach Verdampfen als
gesättigter Dampf ausströmt. Durch die Kapillarstruktur
erfolgt eine Separation der zwei Phasen, eine gleichmäßige
Flüssigkeitsverteilung sowie ein Pumpen der Flüssigkeit
aufgrund der in der Kapillarstruktur wirkenden Kapillar
kräfte.
Die grundsätzliche Auslegung und Wirkungsweise eines
Kapillarverdampfers ist bekannt aus "Experimental Feasibi
lity Study of Water Filled Capillary Pumped Heat Transfer
Loop, NASA TMX 1310, Nov. 1966". Die darin beschriebene
sogenannte Kapillarpumpe besteht aus zwei koaxial ange
ordneten Rohren und eine dazwischenliegende Kapillarstruk
tur aus Quarzfiber. Sie umgibt ein perforiertes Rohr und
liegt an einer mit Längsrillen und -stegen ausgebildeten
inneren Fläche des Außenrohres an. Infolge der von den
Kapillarkräften bewirkten Druckdifferenz strömt das Medium
durch das innere, perforierte Rohr in die Kapillarstruktur
und verdampft unter Zufuhr von Wärme (erzeugt durch einen
elektrischen Heizdraht) an der Grenzfläche zwischen der
Kapillarstruktur und den Stegen. Der hier entstehende
Dampf strömt durch zwischen den Stegen angeordneten Längs
rillen ab.
Nachteilig ist hierbei, daß mit der verwendeten Kapillar
struktur eine für zukünftige Anwendungen höhere erforder
liche Wärmetransportleistung derzeit nicht erreicht wird
und eine extreme Empfindlichkeit gegenüber nichtkondensier
baren Gasen oder Bildung von Dampfblasen, die den Flüssig
keitstransport unterbrechen, besteht.
Kohlefasern sind als Kapillarmaterial, wie in der Literatur
stelle JP 59-60184 beschrieben, an sich bekannt,
jedoch nicht für Kapillarpumpen,
wo es entsprechend seinen Eigenschaften konstruktiv
eingesetzt wird. Verglichen zu Metallfasern muß bei dem Kapil
larmaterial aus Kohlefasern seine relativ schlechte Wärmeleit
fähigkeit beachtet werden, das heißt die Wärmezufuhr und Kapil
largeometrie muß entsprechend ausgebildet sein. Außerdem muß
das Kapillarmaterial vom Wärmeträger gut benetzbar sein, wobei
dieser sich unterschiedlich verhält.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapillarunterstützten
Verdampfer zu schaffen, mit dem hohe Wärmetransport
leistungen unter Verwendung einer speziellen Kapillar
struktur und Vermeidung der Gas- und Dampfblasenempfind
lichkeit erzielbar sind. Zur Verwendung großer Temperatur
differenzen zwischen wärmeaufnehmender Wand und ver
dampfenden Medium sollte eine gute innere thermische Leit
fähigkeit der zusammengesetzten Komponenten bei einfacher
Herstellung und Montage gewährleistet sein.
Als zur Lösung der gestellten Aufgabe wesentlich werden die kennzeichnenden
Merkmale des einzigen Patentanspruchs vorgeschlagen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch Ver
wendung von sehr feinen Kohlefasern für die Kapillar
struktur eine hohe Kapillarkraft erzielt wird, die mit
gemessenen Steighöhen von ca. 10 bis 15 cm somit größer
ist, als die von konventionellen Kapillarstrukturen aus
Metallfasern oder -geweben. Die Kohlefasern sind von üb
lichen als Wärmeträger verwendeten flüssigen Medien bei
erforderlichen Temperaturen gut benetzbar, chemisch und
thermisch beständig, alterungsbeständig, sowie flexibel
und demzufolge leicht zu wickeln und einzubauen. Weiterhin
besitzen Kohlefasern eine relativ geringe thermische Leit
fähigkeit, so daß Dampfblasenbildung in der Kapillarstruk
tur weitgehend vermieden wird.
Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch
Skizzen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längs- und Querschnitt eines Kapillar
verdampfers mit einem auf der Innenfläche mit
V-förmigen Längsrillen versehenen Außenrohr,
einem koaxial dazu angeordneten perforierten
Innenrohr und dazwischen angeordneten Kohle
fasern als Kapillarstruktur,
Fig. 2 einen Längs- und Querschnitt eines Kapillar
verdampfers mit einem auf der Innenfläche mit
Umfangsrillen versehenen Außenrohr und einem
koaxial angeordneten, auf der Außenfläche mit
Längsrillen versehenen Innenrohr und dazwischen
angeordneten Kohlefasern als Kapillarstruktur,
Fig. 3 einen plattenförmigen Kapillarverdampfer.
Aus Fig. 1 ist ein Kapillarverdampfer 1 im Längs- (oben)
und Querschnitt (unten) ersichtlich. Er besteht aus zwei
koaxial angeordneten Rohren 2, 3, wovon die Wand 4 des
Innenrohres 2 mit einer Perforation 5 und die Wand 6 des
Außenrohres 3 auf der Innenfläche mit V-förmigen Längs
rillen 7 versehen ist. Um das Innenrohr 2 ist um die
Perforation 5 eine aus Kohlefasern 8 gewickelte sehr feine
Kapillarstruktur ringförmig angeordnet, deren äußere Ober
fläche an den Längsstegen des Außenrohres 3 fest anliegt.
Der erforderliche radiale Anpreßdruck ergibt sich aus der
Konizität von Innenrohr 2 und Außenrohr 3 durch axiales
Verschieben. Das Innenrohr 2 ist auf der Dampfaustritts
seite mit einem Stopfen 9 verschlossen und das Außenrohr 3
mit einem Sammelrohr 10 verbunden. Die Zufuhr eines als
Wärmeträger geeigneten flüssigen Mediums 11 erfolgt axial
in das Innenrohr 2 und radial durch die Perforation 5 der
Wand 4 in die darüber angeordnete, aus Kohlefasern 8 be
stehende Kapillarstruktur (siehe Pfeile). Hier verteilt
sich das flüssige Medium 11 und verdampft bei Wärmezufuhr
(siehe Pfeile) durch die Wand 6 unter Ausbildung eines
invertierten Meniskus an der Berührungsfläche 12 zwischen
der Flüssigkeit und den V-förmigen Längsstegen 7. Die Zu
fuhr des notwendigen Wärmestromes kann beispielsweise
durch Abwärme dissipierender Komponenten oder eine um das
Außenrohr 3 angeordnete elektrische Heizspirale (in der
Figur nicht gezeigt) erfolgen. Der dabei entstehende Dampf
strömt durch die nur teilweise mit dem flüssigen Medium 11
gefüllten V-förmigen Längsstegen 7 zum Sammelrohr 10
(siehe Pfeile).
In Fig. 2 ist eine weitere Variante eines Kapillar
verdampfers 1 im Längs- (oben) und Querschnitt (unten)
ersichtlich. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 wird hier das flüssige Medium 11 zunächst einem
am Eintritt (siehe Pfeil) befindlichen und von einem Deckel
13 des Innenrohres 2 und vom Außenrohr 3 mit Deckel 14 ge
bildeten freien Raum 15 zugeführt. Von hier strömt das
Medium 11 durch im Deckel 13 vorgesehene Bohrungen 16 in
am Außenumfang des Innenrohres 2 angeordnete Längsrillen
als Strömungskanäle 17 (siehe Pfeile), die abwechselnd als
Dampf- und Flüssigkeitskanäle fungieren. Die um das Innen
rohr 2 angeordneten und als Kapillarstruktur wirkenden
Kohlefasern 8 saugen das flüssige Medium 11 aus den ent
sprechenden flüssigkeitsgefüllten Längsrillen 17 und
bewirken mit den am inneren Umfang des Außenrohres 3 an
geordneten Umfangsrillen 20 zusätzlich eine gleichmäßige
Verteilung. Unter Zufuhr eines Wärmestromes in die Wand 6
des Außenrohres 3 (siehe Pfeil) verdampft das Medium 11
innerhalb der Kapillarstruktur aus den Kohlefasern 8 oder
an seiner Grenzfläche zu den Umfangsrillen 20. Von den sich
hierbei ergebenden zwei radial gerichteten Strömungen ist
die eine Strömung des flüssigen Mediums 11 nach außen und
die andere des verdampften Mediums 11 nach innen in die
Dampfkanäle 17 gerichtet.
Das dampfförmige Medium 11 strömt durch die periodisch an
geordnete Perforation 18 in das Sammelrohr 19 ab.
Bei Verwendung eines geteilten Außenrohres 3 und zur Er
zeugung des erforderlichen Anpreßdruckes für einen guten
Kontakt zwischen den Kohlefasern 8 und dem Rohrmaterial,
sowie einfacher Montage, sind die beiden Rohrhälften 3
mittels einer Verschraubung 21 miteinander verbunden
(untere Figur).
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Kapillar
verdampfer 22 in Plattenform. Er besteht aus zwei über
einander angeordneten Platten 23, 24, von denen die untere
Platte 23 mit zur Innenseite weisenden Kanälen 25 durch
zogen ist, über die in einer breiten Ausnehmung 26 die
Kohlefasern 8 als Kapillarstruktur gelegt sind. Die obere
Platte 24 ist auf der zu den Kohlefasern 8 weisenden Fläche
mit einer Anzahl Rillen 27 durchzogen, die am hinteren
Plattenende in einen dort angeschlossenen Sammelkanal 28
münden. Das flüssige Medium 11 gelangt von den Kanälen 25
(siehe Pfeile) in die Kohlefasern 8, wird dort verteilt
und nach Zufuhr eines Wärmestromes (siehe senkrechter
Pfeil) in die obere Platte 24 an der Grenzfläche zwischen
Kohlefasern 8 und Stegen 30 verdampft. Der entstehende
Dampf strömt, wie oben erläutert, in den Sammelkanal 28
und von dort zur Wärmesenke ab. Die beiden Platten 23, 24
sind durch eine Verschraubung 29 miteinander fest verbunden.
Claims (1)
- Kapillarunterstützter Verdampfer zur Wärmeaufnahme und zum Transport eines Wärmeträgermediums von einer von außen wärmebeaufschlagten Wärmequelle zu einer Wärmesenke und nach Kondensation zurück zu der Wärmequelle, bestehend aus einem mit einer Perforation versehenen Innenrohr und einem koaxial dazu angeordneten, mit Dampfkanälen versehenen Außenrohr, einer um die Perforation angeordneten Kapillar struktur, einer um das Außenrohr angeordneten Wärmequelle und ein an der Austrittsseite des Kapillarverdampfers ange ordnetes Sammelrohr, wobei die Zufuhr des flüssigen Mediums axial durch das Innenrohr und radial durch die Perforation in die Kapillarstruktur strömt und von dieser unter der Zu fuhr des Wärmestromes dampfförmig in die darüber angeordne ten Dampfkanäle strömt und über das Sammelrohr an die Wärme senke abgeleitet wird, dadurch gekenn zeichnet, daß als Kapillarstruktur zylindrisch gewickelte oder in ebener Lage angeordnete Kohlefasern (8) vorgesehen sind, welche entweder durch zwei koaxiale, konische Rohre oder durch zwei miteinander verspannte Rohre ( 2, 3), wobei das äußere Rohr (3) geteilt ist, gegen die Auflageflächen gedrückt werden oder die Kohlefasern (8) zwi schen zwei mit Längsrillen als Strömungskanäle (25, 27) versehene und miteinader verspannte Platten (23, 24) an geordnet sind.
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