DE3617762C2 - Mit Kapillareffekt arbeitender Wärmetauscher für ein thermisches Betriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Be­ triebssysteme, insbesondere auf ein Zweiphasen- Wärmeübertragungssystem, das Wärmeleitungsprinzipien ver­ wendet, und auf mit dem Kapillareffekt arbeitende Einrich­ tungsmontage-Körper, die im Zusammenhang damit verwendet werden.

Im Rahmen der Arbeiten für Raumfahrtaktivitä­ ten basieren langlebige Raumfahrtsysteme, die gegenwärtig in Planung sind, auf den Möglichkeiten des großen Startgewichts des Space Shuttle der Vereinigten Staaten. Große Satelliten und Einrichtungen für andere Raumprojekte benötigen thermi­ sche Betriebssysteme mit Hochleistungskapazitäten, die in der Lage sind, Wärme von unterschiedlichen Untersystemen zu sammeln und zu Wärmeabstrahlern zu transportieren. Die Transportwege werden in der Größenordnung von 10 bis 30 m angenommen. Die gegenwärtige Technologie für große Wärme­ transportsysteme basiert auf Zirkulations-Flüssigkeitskrei­ sen. Diese neigen dazu, schwer und gegen Mikrometeoriten- Einschläge empfindlich zu sein, haben eine relativ niedrige thermische Leistungsfähigkeit (Wärmeübergangszahl) kund benötigen eine erhebliche Pumpleistung. Wie augenblicklich demonstriert, beträgt die Pumpenlebensdauer nur 2 1/2 Jahre.

Die Pumpen und die erforderlichen Ventile usw. verringern außerdem die Systemzuverlässigkeit.

Zahlreiche Probleme, die den thermischen Systemen innewoh­ nen, die zirkulierende Flüssigkeiten verwenden, können durch Verwendung eines mit dem Kapillareffekt arbeitenden Zwei­ phasen-Zirkulationssystems gemildert werden. Flüssigkeit, die an die Montage-Körper geliefert wird, auf welchen Wär­ meerzeugungseinrichtungen befestigt sind, würde Wärme durch Verdampfung aufnehmen. Der Dampf würde an Wärmesenken gelie­ fert werden, wodurch Wärme durch Kondensation abgegeben würde. Verglichen mit Zirkulationsflüssigkeitssystemen wür­ den die Strömungsraten und Flüssigkeitsleitungsquerschnitte reduziert werden, die Wärmeübergangszahlen würden höher, und die Pumpleistung würde eliminiert werden.

In der US 3,803,688 wird ein Wärmeleitungs- System beschrieben, das eine integrale "Sieb- oder Gitter­ anordnung" zwischen den Flüssigkeits-Kapillarrillen und einem Dampfraum der betreffenden Einrichtung aufweist. Ob­ wohl diese Konstruktion oberflächlich betrachtet eine Ähn­ lichkeit mit der Plattenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung hat, sind hier kapillare Rillen für die erfor­ derliche Flüssigkeitszirkulation längs diesen vorgesehen. Die Sieb- oder Gitteranordnung, die darin offenbart ist, wirkt jedoch nicht als ein kapillares Pumpmittel, wie bei der vorliegen­ den Erfindung, sondern dient vielmehr nur einer Dampfab­ zugs-Funktion. Außerdem decken abweichend von dem bekannten System die Ril­ len gemäß der vorliegenden Erfindung nur einen kleinen Teil der Wärmeübertragungsoberfläche ab, und die poröse Zwi­ schenlage, die sowohl die Rillen als auch den Rest der Oberfläche abdeckt, dient dazu, die Flüssigkeit in einer Richtung quer zu der Rillenachse zu ziehen, um die Oberflä­ che vollständig benetzt zu halten.

Eine Verdampfung tritt an der gekrümmten Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels der Flüssigkeit an der Flüssig­ keits/Dampf-Schnittstelle nahe der betreffenden freiliegen­ den Oberfläche der porösen Zwischenlage auf.

Mit dem Kapillareffekt arbeitende Wärmeleitungssysteme sind selbstverständlich sowohl für erdgebundene Anwendungen als auch für Raumfahrt-Anwendungen aus dem Stand der Technik bekannt. In der US 4,040,478 ist ein Wärmeleitungssystem offenbart, das entweder zylindrisch oder flach ist, und bei dem die einzelnen Wärmeübertragungskörper, das heißt der Verdampfer bzw. der Kondensor, aus einer Außenhülle 18 bestehen, die innen mit einer feinporigen Lage ausgekleidet ist. Der innere Hohlraum der feinporigen Lage bildet dabei den Dampfraum, wobei eine arterienartige Struktur in der feinporigen Lage einen Flüssigkeitsraum bildet. Die Dampfräume bzw. Flüssigkeitsräume von Verdampfer und Kondensor sind jeweils durch Dampfleitungen bzw. Flüssigkeitsleitungen verbunden. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind der Verdampfer und der Kondensor durch ein bewegliches Element verbunden, in dem der Dampf strömt. Die Flüssigkeit wird dabei durch den Kapillareffekt der feinporigen Lage über Röhren vom Kondensor zum Verdampfer transportiert. Diese vorbeschriebenen Wärmeleitungssysteme können jedoch wegen der baulichen Ausführung der Wärmeübertragungskörper nicht mit großen Abständen zwischen Verdampfern und Kondensoren betrieben werden, da dazu insbesondere der im jeweiligen System erzeugte kapillare Druck nicht ausreicht.

Demgegenüber liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein mit dem Kapillareffekt arbeitendes Wärmeübertragungssystem zu schaffen, mit dem Wärme auch zwischen weit voneinander entfernt angeordneten Wärmeübertragungskörpern transportiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein thermisches Betriebs­ system gerichtet, das eine Vielzahl von mit dem Kapillar­ effekt arbeitenden Körpern enthält, die parallel zueinander in einem Wärmeübertragungskreis angeordnet sind. Dampfkanäle und Flüssigkeitsrillen in jedem der Körper stehen durch eine Zwischenlage mit Dochtwirkung in Flüssigkeitsverbindung miteinander. Zugeordnete Dampfleitungen, die die Dampfkanäle jedes der Körper miteinander verbinden, sind für die Zirku­ lation des Dampfes zwischen diesen vorgesehen, und zugeord­ nete Flüssigkeitsleitungen, die die Flüssigkeitsrillen jedes der Körper miteinander verbinden, sind für die Zirkulation der Flüssigkeit zwischen diesen vorgesehen, wobei der Wär­ meübertragungskreis mit einer Wärmeleitungsbetriebsflüssig­ keit gefüllt ist. Die Körper stehen wärmeübertragungsmäßig in einem System miteinander in Verbindung, wobei eine Wärme abgebende Einrichtung, die auf zumindest einem der Körper montiert ist, und eine Wärmeabführungseinrichtung, die zu­ mindest auf einem anderen der Körper montiert ist, vorgese­ hen sind, wodurch eine Wärmezufuhr zu einer Anzahl dieser Körper ein Verdampfen von Flüssigkeit aus den Zwischenlagen darin verursacht und die Entnahme von Wärme von einem ande­ ren der Körper ein Kondensieren von Dampf darin derart ver­ ursacht, daß eine Zirkulation von Flüssigkeit durch das "kapillare Pumpen" der genannten Zwischenlagen mit Docht­ wirkung, welches dazu dient, Wärme zwischen den mit großem Abstand voneinander angeordneten Körpern zu transportieren, in diesem Wärmeübertragungskreis bewirkt wird.

Der mit dem Kapillareffekt arbeitende Einrichtungsmontage­ Körper zur Verwendung in dem thermischen Betriebssystem enthält eine erste und eine zweite Platte, welche Platten flächengleich sind und dicht miteinander verbunden sind, Dampfkanäle in der ersten Platte sowie Flüssigkeitsrillen, die mit einer Zwischenlage mit Dochtwirkung bedeckt sind, in der zweiten Platte, wobei die Kanäle und Rillen durch die Zwischenlage in Flüssigkeitsverbindung miteinander stehen, wobei eine Verbindung der Dampfkanäle mit einer Dampfleitung außerhalb des Körpers und Mittel, die die Flüssigkeitsrillen mit einer Flüssigkeitsleitung außerhalb des Körpers verbin­ den, vorgesehen sind und wobei die Flüssigkeitsrillen und die Zwischenlage mit einer Wärmeleitungsbetriebsflüssigkeit gefüllt bzw. getränkt sind.

Die vorliegende Erfindung schafft ein thermisches Betriebs­ system, das mit dem Kapillareffekt arbeitende Körper be­ inhaltet, die Wärmeleitungsprinzipien der Art benutzen, durch die ein Wärmetransportkreislauf ohne bewegliche Teile realisiert wird. In diesem System dienen die mit dem Kapil­ lareffekt arbeitenden Körper sowohl als Wärmeabgabeeinrich­ tungs- u. Wärmeaufnahmeeinrichtungs-Montagemittel als auch als Flüssigkeitszirkulations-"Pumpen". Die Körper können entweder als Wärmeaufnehmer oder als Wärmeabgeber in dem Flüssigkeitskreislauf dienen. Um einen viskosen Strömungs­ druckverlust zu minimieren, sind die Verbindungen zwischen den Körpern und den wärmeverbrauchenden Strahlkörpern des Systems als getrennte Flüssigkeits- und Dampfrohre- oder -leitungen ausgeführt.

Die Körper enthalten ein Paar von flachen, gleichflächigen Platten, die aneinander befestigt sind. In der Dichtungs­ fläche der einen Platte ist ein Netzwerk von Flüssigkeits­ rillen ausgebildet, und die so geschaffenen Kanäle und der größte Teil der Plattenoberfläche sind mit einer dünnen, feinporigen Zwischenlage mit Dochtwirkung abgedeckt. In der Dichtungsfläche der anderen Platte ist ein Netzwerk von Dampfkanälen ausgebildet, und die beiden Platten sind her­ metisch dicht miteinander verbunden. Der Flüssigkeitsaus­ tausch zwischen den Flüssigkeitsrillen und den Dampfkanälen erfolgt durch die Zwischenlage mit Dochtwirkung. Jeder Kör­ per des Systems hat eine Verzweigungsleitung, die das Dampfkanal-Netzwerk mit separaten Dampfleitungen und eine Verzweigungsleitung, die das Flüssigkeitsrillen-Netzwerk mit separaten Flüssigkeitsleitungen der Wärmeübertragungskreise des Systems verbindet. Die Dampfkanal-Netzwerke der Körper sind derart miteinander verbunden und die Flüssigkeitsril­ len-Netzwerke der Körper sind derart miteinander verbunden, daß die Körper parallel zueinander in dem Flüssigkeitskreis­ lauf angeordnet sind. Eine Wärmeabgabeeinrichtung ist auf dem Körper, vorzugsweise auf der Seite, die die Platte mit dem Flüssigkeitsrillen-Netzwerk hat, derart montiert, daß eine Wärmezufuhr die Flüssigkeit auf der Oberfläche der Zwischenlage verdampft. Die verdampfte Flüssigkeit strömt in die Dampfkanäle und wird durch die Dampfleitung zu einem Körper hin in Zirkulation versetzt, der als ein Wärmeabgeber wirkt. Dampf, der in dem Wärmeabgeber- (Kondensator-) Körper kondensiert, wird gesammelt und durch die Kapillarwirkung der Zwischenlage in dem Wärmequellen- (Evaporator-) Körper als Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung zu dem Körper zurückgeführt, von dem sie verdampft wurde, und der Zyklus wiederholt sich.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden anhand mehrerer Figuren gegebenen Beschreibung ersichtlich, welche Figuren gegenwärtig bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung zeigen.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht - teilweise im Schnitt - des mit dem Kapillareffekt arbeitenden Wärmeübertra­ gungs-Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei auf einer seiner Seiten eine mit diesem zusammenwir­ kende Einrichtung angebracht ist.

Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung des mit dem Kapil­ lareffekt arbeitenden Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des thermischen Betriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des thermischen Betriebssystems gemäß Fig. 3, in der typische Sy­ stemparameter angegeben sind.

Fig. 1 u. Fig. 2 zeigen Einzelheiten der Konstruktion des mit dem Kapillareffekt arbeitenden Körpers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Körper 10 besteht aus einer ersten und einer zweiten flachen Platte 12 bzw. 14, welche Platten flächengleich sind und über eine Zwischenlage mit Dochtwirkung 16, die zwischen diesen angeordnet ist, mit­ einander verbunden sind. Die Platten 12 u. 14 können aus irgendeinem geeigneten thermisch leitenden Material, bei­ spielsweise Aluminium oder Kupfer, hergestellt sein.

In einer Dichtungsfläche 22 der Platte 12 ist ein Netzwerk 18 enger Rillen 20 ausgebildet, um die Zwischenlage mit Dochtwirkung, die die Rillen und den größten Teil der Plat­ tenoberfläche bedeckt, mit einer Flüssigkeit zu versorgen. In einer Dichtungsfläche 28 der Platte 14 ist ein Netzwerk 24 von Kanälen 26 ausgebildet. Das Rillen-Netzwerk 18 steht mittels eines geeigneten Verzweigungskanals 29 in Flüssig­ keitsverbindung mit einer Flüssigkeitsleitung 30, und das Kanal-Netzwerk 24 steht mit einer Dampfleitung 32 mittels eines geeigneten Verzweigungskanals 34 in Flüssigkeitsver­ bindung. Die Zwischenlage mit Dochtwirkung 16 kann aus ir­ gendeinem geeigneten dünnen Dochtmaterial hergestellt sein, jedoch wird eine sehr dünne filzartige Metallwollmatte, die eine sehr kleine Porengröße aufweist, bevorzugt. Wenn der Körper 10 zusammengebaut wird, wird das Netzwerk 18 der Rillen für die Flüssigkeit mit der Zwischenlage mit Docht­ wirkung 16 bedeckt, und die Dichtungsflächen 22 und 28 der Platten werden miteinander dicht verklebt oder auf andere Weise hermetisch dicht zusammengefügt, beispielsweise durch eine Schweißnaht 36, die um die aneinanderliegenden Ränder 38 und 40 der Platten herum verläuft. Um eine einwandfreie kapillare Wirkung sicherzustellen, erstreckt sich der Um­ fangsrand 42 der Zwischenlage nach außen auf allen Seiten über die Umfänge der Rillen- und Kanal-Netzwerke hinaus.

Es ist ersichtlich, daß die verschiedenen Dimensionierungs- und Konstruktionsparameter des Körpers 10 und der ihm zuge­ ordneten Einrichtungen, nämlich die Flüssigkeits- und Dampfleitungen 30 u. 32, durch deren Anwendungsbereich, deren Anwendungsort und den Temperaturbereich, innerhalb dessen das System arbeiten wird, bestimmt sind. Typischer weise ist der Körper 10 jedoch weniger als ungefähr 13 mm dick. Die Flüssigkeitsrillen weisen etwa 1.6 mm Breite und 1.6 mm Tiefe auf, und das Rillen-Netzwerk 18 weist einen Rillenabstand von ungefähr 13 mm auf.

Fig. 3 zeigt schematisch Körper 10, die in einem Wärmeüber­ tragungskreis 50 eines Wärmebetriebssystems verwendet wer­ den. In der Darstellung der Körper 10 symbolisiert die diago­ nal verlaufende Wellenlinie die Zwischenlage 16, der Ab­ schnitt, der mit "L" bezeichnet ist, symbolisiert das Flüs­ sigkeitsrillen-Netzwerk 18, und der Abschnitt, der mit "V" bezeichnet ist, symbolisiert das Dampfkanal-Netzwerk 24. Wärme abgebende Einrichtungen, beispielsweise Einrichtungen 44, 46 u. 48, deren Temperaturen geregelt sein müssen, sind auf den Oberflächen 52 der Körper befestigt. Um den Wärme­ übertragungskreis 50 zu bilden, sind die Körper 10 parallel zueinander angeordnet, wobei die Flüssigkeitsleitungen 30 und die Flüssigkeitsrillen-Netzwerke 18 der Körper mitein­ ander verbunden sind und wobei die Dampfleitungen 32 und die Dampfkanal-Netzwerke 24 der Körper miteinander verbunden sind.

Der Kreis ist in einer Wärmeaustauschanordnung mit einem Strahlkörper 54 verbunden, und er kann mit einem Wärmeaus­ tauscher 56 für einen weiteren Wärmeübertragungskreis 58 verbunden sein.

Der Kreis wird zu seinem Betrieb durch Einfüllen einer ge­ eigneten Menge eines Wärmeleitungsbetriebsmittels - typi­ scherweise Freon, Ammoniak oder Wasser (nicht gezeigt) - vervollständigt, und zwar im allgemeinen in einem Maße, bis die Flüssigkeitsrillen und die Zwischenlagen der Körper vollständig gefüllt bzw. gesättigt sind. Der Kreis wird dann hermetisch wie in der Praxis üblich verschlossen. Wegen des Vorsehens des Netzwerks 18 der Flüssigkeits-Rillen 20 in den Körpern ist der Flüssigkeitsströmungsweg in der porösen metallischen Zwischenlage 16 kürzer, als dies sonst der Fall wäre. Der kurze Strömungsweg ist wünschenswert, da die Zwi­ schenlage dünn gehalten werden muß, um ein Sieden ("nucleate boiling") unter Wärmeflußbedingungen hoher Werte (größer 2 Watt/cm²) zu verhindern. Eine Kombination kleiner Strö­ mungswegquerschnitte mit einer kleinen Durchlässigkeit (Permeabilität) der Zwischenlage würde andererseits zu übermäßigen Strömungsdruckverlusten führen.

Im Betrieb bewirkt eine Wärmezufuhr, beispielsweise aus einer Wärme abgebenden Einrichtung, zu einem Körper 10 ein Verdampfen der Flüssigkeit an der gekrümmten Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels an der Flüssigkeits/Dampf-Schnittstelle nahe dem betreffenden freiliegenden Oberflächenabschnitt der Zwischenlage 16. Dampf aus der verdampften Flüssigkeit strömt aus dem Dampfkanal-Netzwerk 24 und von dort aus in die Dampfleitung 32, durch die er zu dem Körper transpor­ tiert wird, der dem Strahlkörper 54 zugeordnet ist. Wenn sich der Wärmeübertragungskreis 58 in einer Wärmeentzie­ hungsbetriebsweise befindet, strömt Dampf auch zu dem Kör­ per, der dem Wärmeaustauscher 56 zugeordnet ist.

In Fig. 3 ist ein Zustand gezeigt, bei dem der Wärmeüber­ tragungskreis 58 abgeschaltet ist, und eine Einrichtung, nämlich die Einrichtung 46, vorübergehend außer Betrieb ist, so daß der ihr zugeordnete Körper als eine Senke ("cold sink") dient. Wie durch Pfeile 60 angedeutet, strömt Dampf von dem Körper, der der Wärme abgebenden Einrichtung 48 zugeordnet ist, sowohl zu dem Körper, der der inaktiven Einrichtung 46 zugeordnet ist, als auch zu dem dem Strahl­ körper 54 zugeordneten Körper, und Dampf aus dem Körper, der der Einrichtung 44 zugeordnet ist, strömt durch den Körper, der dem Strahlkörper 54 zugeordnet ist. Dampf, der in den Körpern kondensiert ist, die dem Strahlkörper 54 und der Einrichtung 46 zugeordnet sind, wird durch die Zwischenlage mit Dochtwirkung 16 in jedem dieser Körper durch die Flüs­ sigkeitsleitung 30 zu den Körpern "gepumpt", die den Wärme abgebenden Einrichtungen 44 u. 48 zugeordnet sind, wo eine kapillare Wirkung zu einer Sättigung der Zwischenlagen der Körper führt. Eine fortgesetzte Wärmezufuhr zu den Körpern bewirkt ein Verdampfen der Flüssigkeit an der Oberfläche der Zwischenlage, und der beschriebene Zyklus wiederholt sich.

Eine schematische Darstellung der üblichen Systemparameter für ein typisches thermisches Betriebssystem für ein sehr großes Raumsystem, dessen Wärmetransportwege bis zu 25 m betragen, ist in Fig. 4 gezeigt.

Claims (7)

1. Mit Kapillareffekt arbeitender Wärmetauscher für ein thermisches Betriebssystem, mit einem Körper (10), der aus einer ersten und einer zweiten flächengleichen Platte (14 bzw. 12) besteht, die flächengleich und mit einer dazwischenliegenden dünnen, feinporigen Zwischenlage (16) dicht zusammengefügt sind,
wobei in der ersten Platte (14) ein Dampfkanal-Netzwerk (24) aus einem Netzwerk von Kanälen (26) und in der zweiten Platte (12) ein Flüssigkeitsrillen-Netzwerk (18) aus Rillen (20) ausgebildet sind,
wobei ferner die Kanäle (26) und Rillen (20) in den Netzwerken (18, 24) durch die Zwischenlage (16) in Flüssigkeitsverbindung miteinander stehen und Anschlüsse (30, 32) vorgesehen sind, von denen der eine (32) das Dampfkanal-Netzwerk (24) mit einer Dampfleitung außerhalb des Körpers und der andere (30) das Flüssigkeitsrillen-Netzwerk (18) mit einer Flüssigkeitsleitung außerhalb des Körpers verbindet,
und wobei schließlich das Flüssigkeitsrillen-Netzwerk (18) mit einer Wärmeleitungs-Betriebsflüssigkeit gefüllt und die Zwischenlage (16) mit dieser Betriebsflüssigkeit getränkt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Platten (12, 14) eine flache, plan-parallele Form haben.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zwischenlage (16) eine Dochtwirkung, und in sich ein niedriges Temperaturgefälle und eine hohe Kapillardruckdifferenz aufweist.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verdampfen der Flüssigkeit aus der Zwischenlage (16) an der Oberfläche der Zwischenlage (16) auf der Seite des Dampfkanal-Netzwerkes auftritt.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verdampfen der Flüssigkeit aus der Zwischenlage (16) an der gekrümmten Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels der Flüssigkeit an der Flüssig­ keits-/Dampf-Schnittstelle nahe der Dampfkanalseite der Zwischenlage (16) auftritt.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Flüssigkeits-Netzwerk (18) flächengleich mit der Zwischenlage (16) ist, wodurch die sich ergebenden kurzen Flüssigkeits-Strömungswege zu einem niedrigen Druckgefälle der Zwischenlage führen.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenlage (16) eine derartige isotopische Porösität hat, daß die Flüssigkeit quer zu der Achse der Flüssigkeitsrillen des Netzwerkes (18) auf jeder Seite davon gezogen wird, um die Zwischenlage (16), die über den Dampfkanälen des Netzwerkes (24) liegt, vollständig mit Flüssigkeit zu tränken.