DE3821252B4

DE3821252B4 - Wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3821252B4
Application number: DE3821252A
Authority: DE
Inventors: Hisateru Sagamihara Akachi
Original assignee: Atronics K K; Atronics Kk Isehara
Current assignee: Actronics KK
Priority date: 1987-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2008-06-24
Also published as: GB2226125B; JPH063354B2; US4921041A; JPS63318493A; DE3821252A1; GB2226125A; GB8829245D0

Abstract

Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einem wärmeabgebenden Bereich und einem wärmeaufnehmenden Bereich, umfassend
(a) mindestens ein in sich luftdicht geschlossenes Rohrleitungssystem (1),
(b) ein wärmetransportierendes Fluid (7) innerhalb des Rohrleitungssystems (1) und
(c) mindestens ein Rückschlagventil (2) im Rohrleitungssystem (1) aufweisende Zirkulationsmittel zum Bewirken einer Zirkulationsströmung des Fluids (7) im Rohrleitungssystem (1) in vorbestimmter Richtung,
worin
(d) das Fluid (7) innerhalb eines durch eine untere und obere Arbeitstemperatur der Wärmeübertragungsvorrichtung bestimmten Bereiches zwischen einer flüssigen Phase und einer dampfförmigen Phase wechselt,
(e) mindestens ein erster Teil des Rohrleitungssystems (1) als wärmeaufnehmender Abschnitt (H; 11) ausgebildet ist zum Verdampfen von Fluid (7),
(f) mindestens ein zweiter Teil des Rohrleitungssystems (1) als wärmeabgebender Abschnitt (C; 22) ausgebildet ist zum Kondensieren von Fluid (7),
(g) das Rohrleitungssystem (1) zu weniger als 95 mit Fluid (7) gefüllt ist, wenn es in der flüssigen Phase ist,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einem wärmeabgebenden Bereich und einem wärmeaufnehmenden Bereich.

Aus der US 46 25 790 ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung bekannt, bei welcher eine wärmetransportierende Einrichtung einen Heizblock mit einer Ausnehmung zur Erzeugung einer geringen Blasenbildung in der im unteren Bereich der Ausnehmung vorhandenen Arbeitsflüssigkeit aufweist. Dabei sollen bei Zunahme der Blasenbildung die größer werdenden Blasen die an einem Rückschlagventil vorhandene Arbeitsflüssigkeit zu einem Radiatorteil transportieren.

Bei einer früher vorgeschlagenen Anordnung mit einem zylindrischen Wärmerohr ist die Arbeitsflüssigkeit innerhalb eines zylindrischen Behälters abgedichtet und wird an einem wärme-aufnehmenden Abschnitt (Verdampfungsabschnitt) zur Ausbildung eines Dampfstromes erwärmt und verdampft. Der Dampf steigt dann mit hoher Geschwindigkeit in Richtung eines wärmeabstrahlenden Abschnitts (Kondensationsabschnitt).

Hier wird der Dampf gekühlt und verflüssigt, um einen Arbeitsflüssigkeitsstrom zu bilden. Die Arbeitsflüssigkeit fließt wiederum in Richtung des wärmeaufnehmenden Abschnitts durch eine Kapillarwirkung eines Dochtes in den Behälter.

Auf diese Weise wird aufgrund der durch die Verdampfung und Kondensation der Arbeitsflüssigkeit während eines Kreislaufes von einer flüssigen Phase und einer Dampfphase freigesetzten latenten Wärme eine Wärmeübertragung des Wärmerohres, wie oben beschrieben, durchgeführt.

Bei der oben beschriebenen Art des Wärmerohres stehen die Arbeitsflüssigkeit und der Dampf, die in entgegengesetzten Richtungen gegeneinander strömen, miteinander in direktem Kontakt.

Weiter beschreibt JP 60-178 291 einen Aufbau eines schleifenförmigen Wärmerohres. Der größte Teil der geschlossenen Strömungsschleife für die Arbeitsflüssigkeit im Behälter ist mit einem Docht gefüllt. Wenn der wärmeaufnehmende Abschnitt Wärme aufnimmt, wird der im Docht, der mit einem Ende im wärmeaufnehmenden Abschnitt liegt, erzeugte Dampf in Richtung des dochtfreien Abschnitts ausgesprüht, der einen geringeren Strömungswiderstand aufweist, um eine Dampfströmung auszubilden. Die Dampfströmung wird dann zum wärmeabgebenden Abschnitt bewegt und dort verflüssigt. Die verflüssigte Strömung wird dann aufgrund der Kapillarwirkung des Dochtes im Docht absorbiert. Die so verflüssigte Arbeitsflüssigkeit wird dann zum wärmeaufnehmenden Abschnitt zurückgeführt.

Die Wärmerohrschleife führt aufgrund der durch die Änderung der Phasen freigegebenen bzw. aufgenommenen latenten Wärme eine Wärmeübertragung durch (flüssige Phase und gasförmige Phase der eingefüllten Arbeitsflüssigkeit), wobei die Arbeitsflüssigkeit in der gleichen Weise wie bei dem oben beschriebenen zylindrischen Wärmerohr zirkuliert.

Bei den oben beschriebenen Konstruktionen für Wärmerohre sowohl einer zylindrischen Bauweise als auch einer schleifenförmigen Bauweise ergibt sich folgendes.

Es wird eine vergleichsweise geringe Wärmemenge übertragen infolge der vorhandenen niedrigen Grenze der Wärmeübertragung.

(a) Es tritt eine gegenseitige Störung zwischen dem Dampfstrom und dem Flüssigkeitsstrom infolge der entgegengesetzten Strömungsrichtungen des Dampfes und der Arbeitsflüssigkeitsströme bei dem zylindrischen Wärmerohr auf.

Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeaufnehmenden Abschnitt und dem wärmeabstrahlenden Abschnitt erhöht wird, steigen die Geschwindigkeiten des Dampfstromes und des Arbeitsflüssigkeitsstromes entsprechend. Dabei verdampft die Arbeitsflüssigkeit vom mittleren Abschnitt einer Dochtoberfläche. Die Arbeitsflüssigkeit wird dann herausgeblasen und verteilt sich rings um die Dochtfläche in Richtung des wärme-abstrahlenden Abschnitts. Der verteilte Dampfstrom stört die zurückfließende Arbeitsflüssigkeit. Auf diese Weise wird die in Richtung des wärmeaufnehmenden Abschnitts zurückfließende Arbeitsflüssigkeitsmenge vermindert. Schließlich trocknet die Arbeitsflüssigkeit aus.

Im Falle des dochtfreien Wärmerohres findet das oben beschriebene Phänomen in einem früheren Stadium und wesentlich heftiger als bei dem Wärmerohr mit Docht statt.

Bei dem früher vorgeschlagenen zylindrischen Wärmerohr wird somit die Grenze der Wärmeübertragung schon bei relativ kleinen Wärmeübertragungsmengen erreicht. Wenn die Länge des Wärmerohres groß und der Innendurchmesser des Wärmerohres klein ist, tritt das oben beschriebene Phänomen in einem früheren Stadium auf.

Um das oben beschriebene Phänomen zu vermeiden, kann ein Wärmeisolierungsabschnitt des Behälters als Doppelrohr ausgebildet sein. Das oben beschriebene Doppelrohr wird jedoch sehr aufwendig und sehr teuer.

(b) Im Falle eines Wärmerohres mit Docht ist der Wärmewiderstandswert am Wärmeeingang niedrig, und das Rohr weist einen guten Wirkungsgrad auf. Wenn jedoch der Wärmeeingang groß wird, tritt ein Kochen und Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit im Inneren des Dochtes auf. Da die rückgeführte Arbeitsflüssigkeit nicht in Richtung des wärmeaufnehmenden Abschnitts des Dochtes fließen kann, wird sie entsprechend ausgetrocknet. Dies bezeichnet man als Dochtbegrenzung. Ein derartiges Phänomen tritt leicht auf, wenn die Kapillaren des Dochtes dünner und die Dicke des Dochtes dicker wird.
(c) Wenn die Menge der Arbeitsflüssigkeit im Fall eines dochtlosen Wärmerohres zunimmt, kann die maximal übertragene Wärmemenge um ein Vielfaches größer werden, verglichen mit dem Wärmerohr mit Docht. Wenn jedoch eine plötzliche Wärmezufuhr oder eine große Wärmezufuhr erfolgt, beginnt die Arbeitsflüssigkeit plötzlich zu kochen. Entsprechend wird die sich immer noch in der flüssigen Phase befindliche Arbeitsflüssigkeit in Richtung des wärmeabstrahlenden Teils geblasen und trifft plötzlich auf die Endfläche des Wärmerohres.

In diesem Fall wird die Wärmeübertragung des Wärmerohres mit Docht intermittierend. Weiter tritt ein Geräusch und eine Vibration auf, vor allem dann, wenn die Menge an Arbeitsflüssigkeit vergleichsweise groß ist.

(d) Wenn der Innendurchmesser des Wärmerohres infolge des gegenseitigen Einflusses des Flüssigkeitswiderstandes und der Dochtbegrenzung im wärmeisolierenden Abschnitt kleiner wird, wird die Grenzlänge des Wärmerohres kürzer. Die Grenzlänge des Wärmerohres mit einem Innendurchmesser von 20 mm beträgt etwa 10 m und die eines Wärmerohres mit einem Innendurchmesser von 2 mm beträgt etwa 400 mm.
(e) Wenn das oben beschriebene Wärmerohr bei einer hohen Arbeitstemperatur verwendet wird, d.h. in einem Stadium, bei dem ein Wasserstand des wärmeaufnehmenden Abschnitts höher als der des wärmeabstrahlenden Abschnitts ist, hat auch das mit Docht arbeitende Wärmerohr eine stark verminderte Wärme-Übertragungsfähigkeit. Wenn der Unterschied des Wasserstandes etwa 500 mm überschreitet, trocknet das Wärmerohr aus und kann nicht mehr verwendet werden. Der Wärmewiderstand wird verdoppelt, auch in der horizontalen Anordnung. Wenn die Wärmezuführung gesteigert wird, tritt leicht ein Austrocknen der Flüssigkeit auf. Das Wärmerohr wird daher üblicherweise dann verwendet, wenn der Wasserstand des wärmeaufnehmenden Abschnitts geringer ist als der des wärmeabstrahlenden Abschnitts, wobei ein Neigungswinkel von 15 bis 20° in bezug auf die horizontale Richtung gegeben ist. Das mit Docht arbeitende Wärmerohr kann dann nicht in horizontaler Richtung verwendet werden. Ferner wird der Einsatz des dochtlosen Wärmerohrs problematisch, wenn dabei eine hohe Arbeitstemperatur vorgesehen wird.
(f) Behälter nach dem Stand der Technik wiesen meist keine Flexibilität auf. Es ist daher schwierig oder unmöglich, das Wärmerohr an einem erhitzten oder gekühlten Gegenstand zu befestigen. Wenn der Behälter als geriffeltes Rohr ausgebildet ist, um für das Wärmerohr eine Flexibilität zu schaffen, wird das Wärmerohr nicht nur teuer, sondern es wird ebenfalls die Beweglichkeit der Arbeitsflüssigkeit vermindert. Entsprechend wird die Leistung des Wärmerohres verschlechtert.
(g) Im Fall, in dem ein nicht kondensierbares Gas im Behälter erzeugt oder vermischt wird, verbleibt das nicht kondensierbare Gas während des Betriebes des Wärmerohres innerhalb des wärmeabgebenden Abschnitts, und die Leistung des Wärmerohres kann somit entscheidend vermindert werden. Um eine derartig verminderte Leistung zu verhindern, muss man sehr darauf achten, dass ein Hochvakuum im Wärmerohr während des Abdichtens der Arbeitsflüssigkeit aufrechterhalten wird.

JP 62-252 892 und JP 63-49699 offenbaren ebenfalls Konstruktionen von Wärmerohrschleifen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einem wärmeabgebenden Bereich und einem wärmeaufnehmenden Bereich zu schaffen, welche trotz eines besonders einfachen Aufbaus eine wirkungsvolle Wärmeübertragung ermöglicht und vielseitig einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugte Ausführungsformen einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematischer Darstellung und teilweise im Schnitt:
1 den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
2 einen Teil eines Rohrbehälters einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß 1 zur Erläuterung von deren Wirkung,
3 ein Rückschlagventil einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß 1 zur Erläuterung der Wirkung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
4 einen Teil einer weiteren Wärmeübertragungsvorrichtung,
5(A) bis 5(K) Beispiele für Abschnitte zur Strömungsumkehr in einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
6(A) bis 6(C) Beispiele für gegenüberliegende Abschnitte in einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
7 eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit veränderbarem Leitungsabschnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
8(A) bis 8(F) Beispiele für schleifenförmige Behälter gemäß einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung,
9 einen flachen Tyristorkühler in perspektivischer Darstellung bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
10 einen elektrisch isolierenden Abschnitt einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
11(A) bis 11(D) eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Anwendungen,
12(A) und 12(B) einen elektrisch leitenden Abschnitt einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
13 eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
14(A) bis 14(E) Beispiele für Rohrbehälter gemäß einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung,
15 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in der Anwendung für feuerbeständige, hitzebeständige und flammenbeständige elektrische Kabel,
16(A) und 16(B) Beispiele für Rohrbehälter gemäß einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung,
17(A) und 17(B) Beispiele für Rohrbehälter bei einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung in der Anwendung für feuerbeständige und hitzebeständige Lichtleiter,
18(A) bis 18(D) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
19(A) bis 19(F) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
20(A) bis 20(D) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
21(A) bis 21(C) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
22(A) bis 22(C) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
23(A) und 23(B) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
24(A) bis 24(F) Beispiele für eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung, und
25 eine weitere Ausführungsform einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
In 1 ist als eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung ein schleifenförmiger Behälter 1 dargestellt, bei welchem die beiden Enden eines metallischen Rohres mit einem kleinen Außendurchmesser miteinander verbunden sind. Der schleifenförmige Behälter 1 umfasst einen wärmeaufnehmenden Abschnitt 1-H und einen wärmeabgebenden Abschnitt 1-C, wobei zwischen beiden Abschnitten ein wärmeisolierender Abschnitt 4 vorgesehen ist. Der wärmeaufnehmende Abschnitt, der wärmeisolierende Abschnitt und der wärmeabstrahlende Abschnitt sind abwechselnd angeordnet, um eine endlose Schleife zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass der wärmeaufnehmende Abschnitt 1-H in einer Heizung H angeordnet ist und der wärmeabstrahlende Abschnitt 1-C in einer Kühlung C angeordnet ist. In Teilen des wärmeisolierenden Abschnitts 4 des schleifenförmigen Behälters 1 sind zwei Rückschlagventile 2 vorgesehen, so dass der schleifenförmige Behälter in zwei Teile geteilt wird.
Im folgenden wird die grundsätzliche Arbeitsweise der Wärmerohrschleife gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben.
Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Bauweise derart, dass in der Wärmerohrschleife eine Arbeitsflüssigkeit aufgrund ihres Dampfdrucks mit einer hohen Geschwindigkeit umläuft und während der Umläufe wiederholt eine Verdampfung und eine Kondensation stattfindet, so dass ein Wärmetransport durchgeführt wird.
Die Wärmerohrschleife umfasst den schleifenförmigen Behälter 1 aus einem metallischen Rohr, dessen beide Enden luftdicht miteinander verbunden sind, so dass in ihm die Arbeitsflüssigkeit umlaufen kann. Das metallische Rohr weist einen ausreichend großen Außendurchmesser auf, so dass es leicht gebogen werden kann, und weist einen solchen Innendurchmesser auf, dass die Arbeitsflüssigkeit während des Umlaufes eine Strömung ausbilden kann und den Rohrquerschnitt infolge einer zusätzlichen Wirkung durch Oberflächenspannung der Arbeitsflüssigkeit ausfüllt. Das metallische Rohr kann aus einem einzigen Rohr oder alternativ aus mehreren gegenüberliegend angeordneten Rohren oder aus von einer Mitte ausgehend verzweigten Rohren bestehen. Die durch den Behälter gebildete Schleife kann eine willkürlich gebogene Form aufweisen, vorausgesetzt, dass der Strömungsweg der Arbeitsflüssigkeit die Form eines endlosen Umlaufes hat.
Der schleifenförmige Behälter 1 ist mit einem wärmeaufnehmenden Abschnitt und einem wärmeabstrahlenden Abschnitt versehen, zwischen denen der wärmeisolierende Abschnitt vorgesehen ist. Vorzugsweise sind der wärmeaufnehmende Abschnitt und der wärmeabstrahlende Abschnitt in abwechselnder Folge angeordnet. Der wärmeisolierende Abschnitt stellt eine Wärmetransportstrecke dar.
Weiter sind im Umlaufweg der Arbeitsflüssigkeit ein oder mehrere druckempfindliche Rückschlagventile vorgesehen, d.h. Einrichtungen zur Stromrichtungsbegrenzung, wobei der gegenseitige Abstand zwischen den Rückschlagventilen einigermaßen gleichmäßig sein soll. Aufgrund der Rückschlagventile wird ein schneller und kräftiger Umlauf der Arbeitsflüssigkeit erreicht.
In 1 erzeugt der wärmeaufnehmende Abschnitt 1-H den Dampfdruck infolge der Verdampfung von Arbeitsflüssigkeit an dieser Stelle, und der wärmeabstrahlende Abschnitt 1-C erzeugt einen negativen Dampfdruck (eine Anziehungskraft) infolge der Kondensation von Dampf. Der Dampfdruck und die Anziehungskraft erzeugen eine starke Antriebswirkung und eine Verstärkung der starken Antriebskraft zusammen mit dem(n) Rückschlagventil(en) in Richtung einer vorbestimmten Umlaufrichtung für die Arbeitsflüssigkeit und ihren Dampf. Durch diese gegenseitigen Wirkungen laufen die Arbeitsflüssigkeit und ihr Dampf fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in dem schleifenförmigen Behälter um.
Die umlaufende Arbeitsflüssigkeit wird entsprechend der am wärmeaufnehmenden Abschnitt zugeführten Wärmemenge verdampft, um den Dampf auszubilden. Dabei wird die Wärmemenge als latente Wärme bei der Verdampfung absorbiert, und der Dampf strömt in dem schleifenförmigen Behälter. Wenn der Dampfstrom den wärmeabstrahlenden Abschnitt erreicht, wird der Dampfstrom abgekühlt und flüssig, so dass sich die Arbeitsflüssigkeit wieder zurückbildet. Während der Verflüssigung setzt der Dampf die Wärmemenge für den wärmeabgebenden Abschnitt als latente Wärme bei der Kondensation frei, um die Wärme nach außen abzustrahlen. Auf diese Weise zirkuliert die Arbeitsflüssigkeit innerhalb des schleifenförmigen Behälters, wobei wiederholt eine Verdampfung und eine Kondensation stattfindet, d.h. es wird Wärme aufgenommen und Wärme abgestrahlt.
2 zeigt das Verhalten der Arbeitsflüssigkeit in dem schleifenförmigen Behälter 1 aus einem metallischen Rohr.
Die Arbeitsflüssigkeit 7-2 innerhalb des Rohres 1 füllt den Rohrquerschnitt aus und wird immer von Teilen des Dampfes 7-1 der Arbeitsflüssigkeit begrenzt. Ein derartiger Füllzustand wird durch die gegenseitigen Wirkungen geeigneter Mengen Arbeitsflüssigkeit, dem geeigneten Innendurchmesser und der Oberflächenspannung der Arbeitsflüssigkeit bewirkt. Die in 2 dargestellte, in das System eingefüllte Arbeitsflüssigkeit 7-2 bewegt sich schnell in Richtung zur Seite des niedrigeren Druckes, wenn ein Druckausgleich zwischen den Bereichen des Dampfstromes 7-1 nicht vorhanden ist. Die oben beschriebene Wirkung ist die Grundlage für den Umlauf der Arbeitsflüssigkeit in der Wärmerohrschleife.
3 zeigt ein Beispiel des Rückschlagventils 2. Das Rückschlagventil 2 besteht aus einem dünnen Ring 2a, der in die Innenwand des schleifenförmigen Behälters 1 eingepresst ist und als Ventilsitz dient, und umfasst weiter einen runden Ventilkörper und einen Anschlag 2c. Der Ventilkörper 2a ist durch eine Einschnürung des Behälters 1 an einem Abschnitt 2d des Behälters festgelegt.
4 zeigt schematisch einen Schnitt des schleifenförmigen Behälters 1 von 1.
Die anderen wärmeaufnehmenden und wärmeabstrahlenden Abschnitte 1-H, 1-C stromabwärts von dem Rückschlagventil 2-1 und stromaufwärts von dem Rückschlagventil 2-2 sind im Behälter 1 ausgebildet, obwohl sie in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Weiter ist eine Heizung 5 und eine Kühlung 6 vorgesehen.
In der Wärmerohrschleife können sich die Arbeitsflüssigkeit 7-2 und ihr Dampf 7-1 nur in der Richtung 8-1, 8-2 bewegen, die durch das(die) Rückschlagventil(e) begrenzt ist. Die gleichförmige Wärmecharakteristik wird durch den Umlauf der Arbeitsflüssigkeit und ihres Dampfes erzeugt. Wenn mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte im wesentlichen auf die gleiche Temperatur erwärmt werden und die Temperatur des wärmeaufnehmenden, in 4 dargestellten Abschnitts 1 ein wenig höher ist, schließt der Dampfdruck das Rückschlagventil 2-2 und öffnet das andere Rückschlagventil 2-1, so dass der Dampf 7-1 in Stromabwärtsrichtung 8-1 ausgeblasen wird.
Dies bewirkt, dass die eingefüllte Arbeitsflüssigkeit in dem wärmeaufnehmenden Abschnitt (in 4 nicht dargestellt), der stromabwärts des in 4 dargestellten wärmeaufnehmenden Abschnitts fließt, eine große Dampfmenge erzeugt. Der erzeugte Dampfdruck schließt das Rückschlagventil 2-1. Die Temperatur im Teil 4-1 des Behälters 1 in 4 und der Dampf 7-1 nehmen infolge der Wärmeübertragung und einer adiabatischen Expansion des Dampfes 7-1 am wärmeisolierenden Abschnitt 4-1 ab. Weiter nimmt der Dampfdruck am wärmeisolierenden Abschnitt 4-4 infolge der Volumenabnahme des Dampfes ab. Somit wird das andere Rückschlagventil 2-2 geöffnet, um den Dampf und die stromaufwärts des Rückschlagventils 2-2 befindliche Arbeitsflüssigkeit aufzunehmen. Hierbei nimmt die Temperatur des Behälters 1 in 4 wieder zu, wodurch der Innendruck an dieser Stelle steigt. Das Rückschlagventil 2-2 wird wiederum geschlossen und das Rückschlagventil 2-1 geöffnet. Der Dampf 7-1 und die Arbeitsflüssigkeit am wärmeisolierenden Abschnitt 4-1 werden durch das Rückschlagventil 2-1 in Stromabwärtsrichtung des Behälters 1 ausgeblasen.
Obwohl die oben beschriebene Wirkung sich nur auf das Ausblasen des Dampfes mittels des wärmeaufnehmenden Abschnitts bezieht, findet gleichzeitig eine Absorption bei der Absorption des Dampfes und der Arbeitsflüssigkeit stromaufwärts aufgrund des erzeugten negativen Druckes statt, wenn der wärmeabstrahlende Abschnitt Wärme aufnimmt und den Dampf verflüssigt, wodurch die Atmungswirkung des Behälters synchron mit der Wirkung des wärmeaufnehmenden Abschnitts verstärkt wird. Die oben beschriebene Atmungswirkung bewirkt, dass die Arbeitsflüssigkeit und ihr Dampf in die durch die Rückschlagventile 2-1 und 2-2 begrenzte Richtung angetrieben werden, wobei der wärmeaufnehmende Abschnitt und der wärmeabstrahlende Abschnitt wiederholt einen Temperaturanstieg und einen Temperaturabfall bewirken. Versuche haben gezeigt, dass bei Steigerung der Wärmeaufnahme eine Änderung des Temperaturbereiches kleiner wurde und die Zeitdauer der Wiederholung ebenfalls kleiner wurde. Werden der Änderungsbereich der Temperatur und die Wiederholungszeitdauer kleiner, ergibt sich eine erhöhte Wärmetransportleistung.
Andererseits müssen nicht für ein Paar wärmeaufnehmender und wärmeabstrahlender Abschnitte zwei Rückschlagventile 2-1, 2-2 vorgesehen sein. Es hat sich gezeigt, dass auch bei Verwendung von nur einem einzigen Rückschlagventil im Behälter 1 die Wärmerohrschleife gut arbeitet, obwohl ihre Leistung vermindert ist.
Der Strom der Arbeitsflüssigkeit, dessen Geschwindigkeit und Strömungsmenge infolge des durch den Strömungswiderstand in der Innenwand des Rohrbehälters erzeugten Druckverlustes vermindert wurden, wird jedes Mal immer dann verdampft, wenn er den wärmeaufnehmenden Abschnitt erreicht, an dem ein gesättigter Dampfdruck entsprechend der Temperatur am wärmeaufnehmenden Abschnitt erzeugt wird. Der gesättigte Dampfdruck treibt die Arbeitsflüssigkeit stromabwärts des wärmeaufnehmenden Abschnitts als neue Antriebsenergie vorwärts. Die Verstärkung der Wärmerohrschleife wird in der oben beschriebenen Weise erzeugt.
Zusätzlich wird eine Verstärkung wie folgt erreicht.
Der Dampfstrom, dessen Geschwindigkeit und Strömungsmenge infolge des Druckverlustes aufgrund des Strömungswiderstandes im inneren Rohr des Behälters vermindert werden, wird an dem wärmeabstrahlenden Abschnitt verflüssigt, an dem ein negativer Dampfdruck erzeugt wird. Der erzeugte negative Dampfdruck bewirkt, dass die stromaufwärts des wärmeaufnehmenden Abschnitts befindliche Arbeitsflüssigkeit absorbiert wird, so dass die Antriebskraft zurückgewonnen wird.
Die Größe der Antriebskraft für die Arbeitsflüssigkeit wird entsprechend den Temperaturen am wärmeaufnehmenden und wärmeabstrahlenden Abschnitt und der Temperaturdifferenz zwischen beiden Abschnitten bestimmt. D.h., die Antriebskraft wird entsprechend einer Druckdifferenz der gesättigten Dampfdrücke bei den Temperaturen beider Abschnitte bestimmt. Die Umlaufgeschwindigkeit wird ebenfalls entsprechend den oben beschriebenen Druckdifferenzen bestimmt.
Auf die oben beschriebene Weise transportiert die umlaufende Arbeitsflüssigkeit eine bestimmte Wärmemenge vom wärmeaufnehmenden Abschnitt zum wärmeabstrahlenden Abschnitt, wobei wiederholt die Verdampfung und Kondensation der Arbeitsflüssigkeit stattfindet.
Wie in 1 dargestellt, weist der Behälter die Form einer endlosen Schleife ähnlich der Form der Ziffer 8 auf. Die Gesamtform des Behälters 1 kann jedoch elliptisch oder auch willkürlich sein.
In der JP 63-49 699 ist zwar eine in ihrer Form ähnliche Wärmerohrschleife beschrieben. Jedoch ist bei dieser bekannten Wärmerohrschleife die Wirkungsweise vollkommen unterschiedlich. Dort ist ein zusammengesetztes Wärmerohr vorgesehen mit einem Rohrbehälter, der eine Kapillarwirkung aufweist und mit einem Vorratsbehälter ohne Kapillarwirkung für die Arbeitsflüssigkeit. Die Stelle(n), an denen die Stromrichtungsbegrenzungseinrichtungen angeordnet sind, sind auf den inneren Teil des Vorratsbehälters für die 0 Arbeitsflüssigkeit begrenzt.
Bei dem dort beschriebenen Wärmerohr wird infolge der Kapillarwirkung des Rohrbehälters die im Vorratsbehälter enthaltene Arbeitsflüssigkeit absorbiert oder nach oben gesaugt und dann aufgrund von Kapillarwirkung transportiert. Die Stromrichtungsbegrenzungseinrichtung verhindert, dass die Arbeitsflüssigkeit während des Betriebes zum Vorratsbehälter zurückkehrt und begrenzt die Umlaufantriebskraft, die infolge der Kapillarwirkung erzeugt wird, auf eine vorbestimmte Richtung. Da die Umlaufantriebskraft und die Umlaufströmungsmenge, die infolge der Kapillarwirkung erzeugt werden, selbststeuernd in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des rohrförmigen Behälters bestimmt werden, werden die Antriebskraft infolge des Dampfdruckes der Arbeitsflüssigkeit und die Absorptionskraft infolge der Kondensation der Arbeitsflüssigkeit aufgrund des großen Strömungswiderstandes des kapillarförmigen Rohres vermindert. Die Umlaufantriebskraft und die Strömungsmenge werden infolge der Kapillarwirkung ein wenig vergrößert, so dass sich eine Dampfdrucksättigung ergibt. Es ist daher unmöglich, bei einer derartigen Wärmerohrschleife eine große Wärmetransportleistung so wie bei der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Obwohl durch abwechselndes Kühlen und Erhitzen von mehreren Vorratsbehältern für die Arbeitsflüssigkeit die Antriebskraft verstärkt und die Strömungsmenge gesteigert werden können, ist dennoch die Strömung der Arbeitsflüssigkeit intermittierend, so dass es unmöglich ist, einen kontinuierlichen Strom der Arbeitsflüssigkeit im Wärmerohr auszubilden, wie dies bei dem erfindungsgemäßen Wärmerohr der Fall ist.
Das beschriebene bekannte Wärmerohr dient im wesentlichen zur Aufnahme einer äußeren Hilfsenergie. Da die Antriebskraft für die Arbeitsflüssigkeit von der Kapillarwirkung abgeleitet wird, ist es notwendig, den Innendurchmesser des Behälters zu vermindern, um die Spitzenwärmeleistung zu verbessern, und weiter ist es notwendig, den Abstand zwischen dem wärmeaufnehmenden Abschnitt und dem wärmeabstrahlenden Abschnitt, d.h. die Transportstrecke der Arbeitsflüssigkeit pro wärmeaufnehmenden Abschnitt zu verlängern. Dies bedeutet jedoch eine Verminderung der Strömungsmenge der Arbeitsflüssigkeit und eine entscheidende Verminderung der Wärmetransportleistung.
(Zweite Ausführungsform)
Die Wärmerohrschleife gemäß der zweiten Ausführungsform hat das Merkmal, dass zusammen mit einer vorbestimmten Menge der Arbeitsflüssigkeit eine vorbestimmte Menge eines nichtkondensierbaren Gases ebenfalls in den Behälter eingefüllt ist.
Das Wärmerohr der zweiten Ausführungsform erzeugt keinen Betriebsstillstandabschnitt wie ein gewöhnliches Wärmerohr, obwohl das nichtkondensierbare Gas von außen zugemischt wird. Auf diese Weise kann die Leistung durch Steuern der zugemischten Menge des nicht kondensierbaren Gases eingestellt werden.
7 zeigt schematisch ein Beispiel für die Anwendung der zweiten Ausführungsform, d.h. eine Wärmerohrschleife mit veränderbarem Leitwert. Diese Ausführungsform umfasst einen Gasvorratstank 31 für ein nicht kondensierbares Gas 32. Eine Temperatursteuereinrichtung 33 dient zur Steigerung oder Verringerung der Temperatur innerhalb des Tanks, so dass das nicht kondensierbare Gas expandiert oder sich zusammenzieht, wobei die Menge des nicht kondensierbaren Gases innerhalb des schleifenförmigen Behälters eingestellt wird; die Wärme- und Kühlleistung der Wärmerohrschleife kann frei verändert werden.
(Dritte Ausführungsform)
Bei der dritten Ausführungsform wird eine höhere Leistung erreicht als bei dem Wärmerohr, bei dem reines Wasser als Arbeitsflüssigkeit im rohrförmigen Behälter 1 verwendet wird, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Fall ist. Statt dessen wird Freon-11 in den Behälter 1 der ersten Ausführungsform gefüllt.
Die Wärmerohrschleife hat einen Aufbau, der in der Lage ist, dem äußerst hohen Innendruck, wie oben beschrieben, standzuhalten, so dass eine weitere Ausdehnung des Auswahlbereichs der Arbeitsflüssigkeit vorgenommen werden kann. Entsprechend kann eine höhere Wärmeleistung des Wärmerohres erreicht werden.
Bei der dritten Ausführungsform ist die in dem schleifenförmigen Behälter 1 eingefüllte Arbeitsflüssigkeit so, dass das Gesamtprodukt der numerischen Werte des gesättigten Dampfdruckes in einem bestimmten Temperaturbereich und ein reziproker Wert eines flüssigphasendynamischen Viskositätskoeffizienten bei der gleichen Temperatur größer ist als im Falle von Freon-11 bei gleicher Temperatur.
Die Versuchsergebnisse bei der ersten Ausführungsform bestätigten, dass die Wärmerohrschleife gemäß der Erfindung, die mit Freon-11 als Arbeitsflüssigkeit arbeitete, einen wesentlich besseren Wärmewiderstandswert hat als in dem Fall, in dem reines Wasser als Arbeitsflüssigkeit im bestimmten Temperaturbereich verwendet wird, und zumindest eine bessere oder gleiche Leistung aufweist. Dies zeigt, dass die Leistung des üblichen Wärmerohres weit mehr als erwartet verbessert werden kann. Ein synergistischer Effekt wird dadurch erreicht, dass der Druck des gesättigten Dampfes von Freon-11 im Bereich der Temperatur während des Versuches um das Zehnfache höher als der von reinem Wasser ist, und dass der flüssigphasendynamische Viskositätskoeffizient um 1/3 niedriger als der von reinem Wasser ist, wodurch die Umlaufgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit sehr stark erhöht wird und die latente Wärme beim Phasenwechsel von Freon-11 nur 1/13 niedriger als die des reinen Wassers ist.
Die oben beschriebene Wirkung hat auf die Auswahl der Arbeitsflüssigkeit einen Einfluss, um die Leistung der Wärmerohrschleife zu bestimmen. Der Dampfdruck des gesättigten Dampfes bei 25°C von Freon-11 beträgt z.B. 2,5 kg/cm², was etwa das Doppelte von 1,2 kg/cm² im Falle von Freon-11 ist. Ähnlich beträgt der dynamische Viskositätskoeffizient bei 25°C 0,25 m²/sec, welcher um das 1/1,2-fache niedriger als 0,29 m²/sec im Falle von Freon-11 ist.
Das Gesamtprodukt dieser Werte ist das 2,52-fache von dem im Falle von Freon-11.
60 % des inneren Volumens des rohrförmigen Behälters 1 der ersten Ausführungsform wurden bei einem solchen Versuch mit Freon-11 und Freon-114 gefüllt und die Wärmetransportleistung bei einer Temperatur des wärmeaufnehmenden Abschnitts von 50°C und einer Temperatur des wärmeabstrahlenden Abschnitts von 23°C gemessen, die 55 W bzw. 400 W betrugen.
Auf diese Weise wird eine große Auswahl an Arbeitsflüssigkeiten erreicht werden. Wenn beispielsweise eine Freon-Serie als Arbeitsflüssigkeit ausgewählt wird, kann die Wärmetransportkapazität nicht nur durch das Ersetzen eines Teils des Behälters 1 mit dem elektrisch isolierenden Gegenstand vermindert werden, so dass der wärmeaufnehmende Abschnitt und der wärmeabstrahlende Abschnitt elektrisch isoliert sind. Zusätzlich kann der Arbeitsbereich in den Bereich von –50°C bis 150°C (im Falle von reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit von 20°C bis 200°C) ausgeweitet werden. Die Anwendung eines Aluminiumbehälters für den schleifenförmigen Behälter 1 wird möglich, so dass die Flexibilität und das Gewicht verbessert werden können, ohne dass die Leistung der Wärmerohrschleife verschlechtert wird.
(Vierte Ausführungsform)
Bei der vierten Ausführungsform sind alle oder bestimmte Teile des schleifenförmigen Behälters der Wärmerohrschleife vollständig vergütet. Es wird möglich, den schleifenförmigen Behälter durch bestimmte Biegevorrichtungen beliebig zu biegen. Da die Wärmerohrschleife sehr lang sein kann, kann eine hohe Flexibilität sichergestellt werden, wenn der Außendurchmesser unterhalb 10 mm liegt, ohne dass eine Änderung eines geeigneten Bereiches des Krümmungsradius erforderlich ist. Wenn der Behälter jedoch vollständig vergütet und weich ist, kann der Krümmungsradius wesentlich vermindert werden, so dass das Befestigen des Rohres erleichtert wird. Vorteilhaft wird dies während der Lagerung und dem Transport der Wärmerohrprodukte durchgeführt, da das Wärmerohr auf eine Spule aufgewickelt oder gebündelt werden kann. Da insbesondere ein Behälter mit einem niedrigen Kupfergehalt, ein Rohr mit niedrigem Aluminiumgehalt oder ein Rohr mit einer Aluminiumlegierung am häufigsten verwendet wird, ist ein starkes Verbiegen in den Fällen möglich, wenn das Wärmerohr aus den oben beschriebenen Metallen besteht und einen Außendurchmesser unterhalb von 4 mm aufweist und vollständig vergütet ist. Der vollständig vergütete Behälter kann längs eines länglichen, gebogenen Körpers ausgerichtet werden, rings um einen länglichen, wärmeerzeugenden Drahtstreifen gewickelt werden oder auf eine gekrümmte Fläche aufgebracht werden. Entsprechend kann der rohrförmige Behälter gekühlt und erwärmt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
8(A) bis 8(F) zeigen eine fünfte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Der schleifenförmige Behälter 1 der fünften Ausführungsform ist aus irgendeinem von verschiedenen Rohren ausgebildet, d.h. Rohren mit einem kreisförmigen Querschnitt, einem elliptischen Querschnitt, einem quadratischen Querschnitt, einem rechtwinkligen Querschnitt, und hat mehrere Kapillarrohre an der Innenwand der Rohre, welche die oben beschriebenen Querschnitte aufweisen.
8(A), 8(B), 8(C) und 8(D) zeigen Zustände, in denen entsprechende Rohrabschnitte von wärmeerzeugenden Einrichtungen und/oder wärmeabstrahlenden Einrichtungen eingeschlossen sind, um eine große Wärmeübertragungsfläche und einen sehr guten Wärmeübertragungswirkungsgrad zu schaffen.
8(E) und 8(F) zeigen Zustände, in denen quadratische Rohre und rechtwinklige Rohre gegenüberliegend angeordnet und miteinander verbunden sind, um Wärmerohrein Bandform auszubilden.
Elliptische Rohre und flache, rechtwinklige Rohre sind in bezug auf die Längsachse des Querschnitts als neutrale Achse sehr flexibel. Sie können bequem auf gekrümmten Oberflächen befestigt werden, und/oder es ist einfach, in ihnen die Stromrichtungsumlenkabschnitte auszubilden.
(Sechste Ausführungsform)
9 zeigt eine sechste Ausführungsform der Wärmerohrschleife. Der Außenumfang der Wärmerohrschleife ist mit einem dünnen, festen, elektrisch isolierenden Material beschichtet, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmewiderstandsfähigkeit entsprechend der Betriebstemperatur des Wärmerohres hat.
Gemäß 9 ist ein flacher, siliziumgesteuerter Gleichrichter 35 (Triodenthyristor oder einfacher Thyristor) von einem Paar Kühlblöcke 34-1 und 34-2 aus Kupfer eingeschlossen und gekühlt. Die Kühlblöcke 34-1 und 34-2 dienen als Leiterweg für eine hohe elektrische Energie.
Die Wärmerohrschleife ist zick-zack-förmig zwischen den dicht aneinander angebrachten Kühlblöcken 34-1 und 34-2 ausgebildet. Die durch den Thyristor 35 erzeugte Wärme wird durch das Paar der Kühlblöcke 34-1, 34-2 aus Kupfer absorbiert und in die durch Pfeile gekennzeichneten Richtungen zusammen mit der Kühlluft durch den wärmeabstrahlenden Abschnitt 22 des Wärmerohres abgestrahlt. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet den wärmeaufnehmenden Abschnitt.
Da die Wärmerohrschleife der sechsten Ausführungsform mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist, kann eine elektrische Entladung verhindert werden. Die isolierende Beschichtung kann am wärmeaufnehmenden Abschnitt und/oder wärmeabstrahlenden Abschnitt oder der gesamten Fläche des Wärmerohres vorgesehen sein. Es können verschiedene Arten von Emaillebeschichtungen verwendet werden.
(Siebte Ausführungsform)
10 zeigt eine siebte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
In 10 ist ein Teil 4-1 des rohrförmigen Behälters zwischen dem wärmeaufnehmenden Abschnitt und dem wärmeabstrahlenden Abschnitt in der gleichen Weise wie bei der sechsten Ausführungsform elektrisch isoliert.
10 stellt einen bestimmten Teil des wärmeisolierenden Abschnitts des schleifenförmigen Behälters dar, in dem das metallische Rohr des wärmeisolierenden Abschnitts herausgeschnitten und in zwei Rohre unterteilt ist, die mit einem keramischen Rohr 61 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Keramik, verbunden sind.
Gemäß 10 ist eine elektrisch isolierende Arbeitsflüssigkeit 7 vorgesehen, die in der Strömungsrichtung 8 strömt. Weiter ist eine Schutzfarbenbeschichtung 63, wie z.B. Epoxydharz, zur Erhöhung einer Nichtpermeabilität des Isolierabschnitts vorgesehen.
(Achte Ausführungsform)
Wie in 3 dargestellt, sind als Einrichtung zur Strömungsrichtungsbegrenzung ein oder mehrere Rückschlagventile im Strömungsweg der Arbeitsflüssigkeit des rohrförmigen Behälters 1 vorgesehen.
Jedes Rückschlagventil 2-1 ist an einer vorbestimmten Stelle (Innenwand des Behälters) des Strömungsweges der Arbeitsflüssigkeit im schleifenförmigen Behälter 1 angeordnet. Jedes Rückschlagventil 2-1, 2-2 umfasst einen Ventilsitz aus reinem Kupfer oder aus Aluminium, der in den Behälter 1 unter Druck eingesetzt ist und an einer vorbestimmten Stelle mittels Einschnürens befestigt ist. Ein Ventilkörper 2b besteht aus einer Kugel aus Korund (Al₂O₃), und weiter ist ein Anschlag 2c für den Ventilkörper vorgesehen, um den Ventilkörper 2b in einem schwebenden Zustand an einer vorbestimmten Stelle entfernt von dem Ventilsitz 2a zu halten.
Ein Berührungsabschnitt des Ventilsitzes 2a mit dem Ventilkörper 2b ist abgeschrägt.
Der Zwischenraum zwischen dem kugelförmigen Ventilkörper 2b und dem Ventilsitz 2a wird durch den Anschlag 2c begrenzt und in einem Schwebezustand gehalten.
Der Anschlag 2c hat einen einfachen Aufbau, wobei ein Stift aus reinem Kupfer oder aus Aluminium in ein Loch des Rohres gepresst und darauf hartverlötet wird. Der Anschlag kann willkürlich ausgebildet sein.
Die in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Rückschlagventile haben folgende Wirkungen:

(i) Sie haben eine hohe Zuverlässigkeit infolge ihres einfachen Aufbaues.
(ii) Sie weisen über eine lange Zeitdauer eine Antikorrosionseigenschaft auf, da sie aus reinem Kupfer und Korund (Al₂O₃) bestehen, wobei sie für die Arbeitsflüssigkeit in Form von reinem Wasser und in Form der Freon-Serie geeignet sind.
(iii) Da der kugelförmige Körper aus Korund (Al₂O₃) eine äußerst hohe Verschleißfestigkeit hat und der zugeordnete Ventilsitz aus einem äußerst weichen Metall besteht, ist die Lebensdauer des Rückschlagventils im wesentlichen unbegrenzt.
(iv) Da eine gute Luftdichtigkeit sichergestellt ist, wird der Ventilsitz aus reinem Kupfer oder aus Aluminium so verformt, dass er an den kugelförmigen Ventilkörper angepasst wird.
(v) Da der Werkstoff Korund (Al₂O₃) ein spezifisches Gewicht von 0,4 aufweist und somit sehr leicht ist, kann die Luftdichtigkeit eine einfache Trennung vom Ventilsitz und eine hohe Ansprechgenauigkeit erreichen.
(vi) Da der Aufbau des Rückschlagventils relativ einfach ist, kann das Rückschlagventil im Wärmerohr angeordnet werden.

Entsprechend werden eine lange Lebensdauer des Wärmerohres und eine hohe Betriebssicherheit sichergestellt.
Das Material, aus dem der Ventilsitz des Rückschlagventils besteht, kann reines Kupfer oder alternativ Aluminium sein, wenn man als Arbeitsflüssigkeit eine Flüssigkeit der Freon-Serie verwendet, und reines Kupfer wird bevorzugt, wenn als Arbeitsflüssigkeit reines Wasser verwendet wird. Wenn weder reines Wasser noch die Freon-Serie als Arbeitsflüssigkeit verwendet werden, wird ein metallisches Material mit einer guten Eignung für die Arbeitsflüssigkeit ausgewählt. Der kugelförmige Ventilkörper muss ebenfalls an die Arbeitsflüssigkeit angepasst sein.
Im Fall, in dem der rohrförmige Behälter 1 einen Innendurchmesser unterhalb von 1 mm aufweist, ist die Verkleinerung des Rückschlagventils 2 schwierig, so dass man den Durchmesser des rohrförmigen Behälters an der Stelle, an der das Rückschlagventil eingebaut werden soll, verglichen mit den anderen Abschnitten, vergrößert.
Das Korund (Al₂O₃) kann ein Rubin oder Saphir sein.
(Neunte Ausführungsform)
11(A) bis 11(D) zeigen eine neunte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
In der neunten Ausführungsform sind endlose Rohrabschnitte entsprechend einem Vorwärtsströmungsweg für die Flüssigkeit und einem Rückwärtsströmungsweg der Arbeitsflüssigkeit einander zugeordnet und gegenüberliegend angeordnet. Weiter sind beide Enden des Wärmerohres, die den Strömungsrichtungsumlenkabschnitt für die Arbeitsflüssigkeit bilden, als Rohrbiegung mit einem bestimmten Krümmungsradius ausgebildet (Verbindungsabschnitt).
11(A) zeigt ein grundsätzliches Beispiel der Wärmerohrschleife.
Wie in 11(A) dargestellt, ist ein gerader Rohrabschnitt 1-1 vorgesehen, in dem die Arbeitsflüssigkeit vorwärts (in 11(A) nach rechts) fließt, und ein weiterer gerader Rohrabschnitt 1-2 des Behälters 1 ist vorgesehen, in dem die Arbeitsflüssigkeit rückwärts strömt (in 11(A) nach links). Beide geraden Rohrabschnitte 1-1, 1-2 sind einander zugeordnet und gegenüberliegend angeordnet. Mehrere RUckschlagventile sind im Rohr vorgesehen (nicht dargestellt). Die Stromrichtungsumlenkabschnitte t-1 und t-2 bestehen aus gebogenen Rohrabschnitten. In 5(A) und 5(B) sind Profile für die gebogenen Rohrabschnitte des Wärmerohres in 11(A) gezeigt. Die so aufgebaute Wärmerohrschleife ist einfach zu handhaben.
11(B) zeigt ein weiteres Beispiel der Anwendung der Wärmerohrschleife, in welcher der schleifenförmige Rohrbehälter rings um eine Spule 36 aufgewickelt ist, wobei die gebogenen Abschnitte t-1 und t-2 als die beiden Enden des aufgewickelten Rohres dienen.
11(C) zeigt ein weiteres Beispiel der Anwendung der Wärmerohrschleife, bei welcher der rohrförmige Behälter um einen Aufwickelrahmen gewickelt und gebündelt ist.
11(D) zeigt ein weiteres Beispiel der Anwendung einer zick-zack-förmigen Wärmerohrschleife, bei der ein Verbindungsrohrabschnitt zur Verbindung der beiden Enden des Rohres nicht erforderlich ist und das zick-zack-förmige Rohr federnd ist, so dass man es zum Transport zusammendrücken kann. Entsprechend erreicht man große Transportmengen von Wärmerohren.
(Zehnte Ausführungsform)
12(A) und 12(B) zeigen eine zehnte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Die zehnte Ausführungsform ermöglicht die wirksame Verwendung der latenten Wärmen der Verdampfung und Kondensation sowie eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche.
In 12(A) sind der wärmeaufnehmende Abschnitt 11 und der wärmeabstrahlende Abschnitt 22 als vorbestimmte Abschnitte eingebaut. Der wärmeaufnehmende Abschnitt und der wärmeabstrahlende Abschnitt 11, 22 sind als metallische Rohre ausgebildet, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wobei die Rohre gebündelt und zusammengepresst sind. Die oben beschriebenen wärmeleitenden Füllmaterialien werden in alle Räume in den metallischen Rohren eingefüllt, um den Wärmeübertragungswirkungsgrad zu verbessern.
Jedes metallische Rohr kann eng in das oben beschriebene Einsetzloch eingesetzt sein (nicht dargestellt).
Der wärmeaufnehmende Abschnitt 11 und der wärmeabstrahlende Abschnitt 22 sind mit entsprechenden Metallrohren ausgebildet. Beide Enden der Bündel des rohrförmigen Behälters sind die Aggregatteile der Wärmerohrgruppe und haben einen größeren Außendurchmesser als die restlichen gebündelten Abschnitte. Der wärmeisolierende Abschnitt 4 zwischen dem wärmeaufnehmenden Abschnitt und dem wärmeabstrahlenden Abschnitt 11 und 22 ist flexibel, so dass er bis zu einem gewissen Winkel gebogen werden kann.
12(B) zeigt ein weiteres Beispiel der zehnten Ausführungsform, bei der nur der wärmeaufnehmende Abschnitt 11 mittels eines einzigen metallischen Rohres umgriffen ist und die anderen Teile Aggregate der wärmeabstrahlenden Abschnitte 22-1, 22-2 eines Zwangsluftkonvektionstyps sind.
(Elfte Ausführungsform)
13 zeigt eine elfte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Wie in 13 dargestellt, ist ein vorbestimmter Abschnitt 4 von mehreren länglichen Rohren verdreht ausgebildet.
Mehrere längliche Rohre werden am wärmeisolierenden Abschnitt 4 miteinander verdreht, um den erforderlichen Raum zu vermindern und die Flexibilität zu verbessern. Da die länglichen Rohre miteinander thermisch in Berührung stehen, werden Temperaturänderungen kompensiert, so dass man eine gleichförmige Wärmeverteilung im gesamten Wärmerohr sicherstellen kann.
(Zwölfte Ausführungsform)
14(A) bis 14(E) zeigen eine zwölfte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Bei der zwölften Ausführungsform besteht die Wärmerohrschleife aus irgendeinem einzigen langen dünnen Rohr, parallelen langen dünnen Rohren oder verdrehten langen dünnen Rohren.
Der Behälter ist an mehreren vorbestimmten Abschnitten umgebogen, wobei die umgebogenen Rohrabschnitte einen vorbestimmten Krümmungsradius aufweisen und die Strömungsrichtungsumlenkabschnitte für die Arbeitsflüssigkeit bilden, so dass man einen zick-zack- förmigen schleifenförmigen Behälter erhält.
Irgendein wärmeaufnehmender Abschnitt 11, ein wärmeabstrahlender Abschnitt 22 oder beide sind für jede Wende des zick-zack-förmigen Behälters vorgesehen. Die zwölfte Ausführungsform betrifft grundsätzlich einen Behälter in Zick-Zack-Form.
In 14(A) bis 14(E) ist eine Heizung 5 und eine Kühlung 6 dargestellt. Teile des Behälters, die mit der Heizung 5 und der Kühlung 6 in Berührung stehen, stellen den wärmeaufnehmenden Abschnitt 1 bzw. den wärmeabstrahlenden Abschnitt 2 dar. Weiter sind Strömungsrichtungsänderungsabschnitte t-1 und t-2 für die Arbeitsflüssigkeit an beiden Enden der Rohre vorgesehen. Hinsichtlich der Form der Strömungsrichtungsänderungsabschnitte wird auf die 5(A) bis 5(F) Bezug genommen.
Wenn der Behälter als zick-zack-förmige Schleife ausgebildet wird, ist es einfach, alternativ die Heizung 5 und die Kühlung 6 an dem dünnen Wärmerohr anzubringen, und die Befestigung des Wärmerohres an einer festen Stelle ist einfach. Die Form des Wärmerohres wird auf der Grundlage der Anordnungsbedingungen der Heizung (wärmeerzeugender Gegenstand) und Kühlung (wärmeabsorbierender Gegenstand) bestimmt.
Es wird darauf hingewiesen, dass 14(A) und 14(B) Beispiele der zick-zack-förmigen Wärmerohrschleife darstellen, bei der sowohl der wärmeaufnehmende Abschnitt als auch der wärmeabstrahlende Abschnitt an jeder Wende des Rohres des Behälters angeordnet sind.
In 14(A) werden sowohl der wärmeaufnehmende Abschnitt als auch der wärmeabstrahlende Abschnitt gewöhnlich für jede Wende eines einzigen Rohres vorgesehen, und beide Enden des Rohres sind mit dem Verbindungsrohr 37 verbunden.
In 14(B) ist die Anzahl der Schleifen des wärmeabstrahlenden Teils 22 vergrößert, wenn der Wärmeübertragungswirkungsgrad des wärmeabstrahlenden Abschnitts 22, verglichen mit dem des wärmeaufnehmenden Abschnitts 11, relativ niedrig ist. Weiter verbindet das Verbindungsrohr 37 die beiden Enden des Wärmerohres.
In jedem Beispiel gemäß 14(C) bis 14(E) besteht der zick-zack-förmige schleifenförmige Behälter aus mehreren parallelen Rohren und verdrehten Rohren. Da kein Verbindungsrohr 37, wie in 14(A) und 14(B) gezeigt, erforderlich ist, kann ein spezieller Aufwickelrahmen für den Transport des Wärmerohres vorgesehen werden.
Das Wärmerohr ist entsprechend den Stellen der Heizung 5 und der Kühlung 6 ausgebildet.
Wie in 14(C) dargestellt, sind zwei Paare wärmeaufnehmende Abschnitte und wärmeabstrahlende Abschnitte 11-1, 11-2 und 22-1, 22-2 für jede Wende vorgesehen.
Wie in 14(D) dargestellt, sind die wärmeaufnehmenden Abschnitte 11-1, 11-2 des Behälters längs der länglichen Heizung 5, z.B. einem Stromkabel, vorgesehen. Alternativ werden die wärmeaufnehmenden Abschnitte 11-1, 11-2 rings um einen wärmeerzeugenden Gegenstand 5, wie z.B. einen elektrischen Motor, einen Elektromagneten usw., gewickelt. In diesen Fällen sind die wärmeabstrahlenden Abschnitte 22-1, 22-2 von den wärmeaufnehmenden Abschnitten 11-1, 11-2 entfernt und längs der Kühlung 6 angeordnet. Die wärmeabstrahlenden Abschnitte 22-1, 22-2 sind in zwei Rohrabschnitten für jede Wende des Behälters ausgebildet.
Da die Wärmerohrschleife vollständig bei einer maximalen Wärmestellung betrieben werden kann, können die wärmeabstrahlenden Abschnitte 22-1, 22-2 im wesentlichen unterhalb oder genau unterhalb der wärmeaufnehmenden Abschnitte 11-1, 11-2 angeordnet sein. In 14(D) sind die Heizung 5 und die Kühlung 6 abwechselnd angebracht, und die gewundenen Rohrbehälter sind zick-zack-förmig angeordnet.
Wenn weiter die geraden Leitungsabschnitte einander berührend gegenüberliegend angeordnet sind, wie in 14(A) und 14(C) dargestellt, kann der schleifenförmige Behälter für eine Oberflächenkühlung einer flachen Heizung/Kühlung, wie z.B. einer gedruckten Schaltung, verwendet werden.
Bei der gedruckten Schaltung können in diesem Fall superleitende Elemente auf der Schaltungskarte befestigt sein, wobei der rohrförmige Behälter auf der gedruckten Schaltungskarte befestigt ist.
(Dreizehnte Ausführungsform)
15 zeigt eine dreizehnte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Bei der dreizehnten Ausführungsform ist ein bestimmter Abschnitt des schleifenförmigen Behälters zick-zack-förmig mit mehreren Wenden ausgebildet.
Ein bestimmter Abschnitt, der hinter jeder Wende des Behälters angeordnet ist, bildet den wärmeisolierenden Abschnitt. Eine derartige Gruppe von wärmeisolierenden Abschnitten ist gebündelt und in einem Rohr oder Rahmen angeordnet und dort unter Druck gehalten. Sämtliche Freiräume im Rohr oder dem Rahmen sind dicht mit einem bestimmten Füllmaterial gefüllt.
Ein Wärmeaustauscher kann leicht durch Einsetzen des Rohres oder Rahmens 39-1 in eine Befestigungsöffnung 40 einer Trennwand 39-2, wie in 15 dargestellt, ausgebildet werden. Bevor das Rohr oder der Rahmen 39-1 an der Trennwand 39-2 befestigt wird, hat das Aggregat des Rohrbehälters 11-1, 11-2 oder 22-1, 22-2 einen kleineren Durchmesser als der des Rohres oder des Rahmens 39-1. Nachdem das Rohr oder der Rahmen 39-1 in die Befestigungsöffnung 40 eingesetzt ist, er-weitern sich die Rohrbehälter 11-1, 11-2, 22-1, 22-2 von dem Rohr oder dem Rahmen 30 nach außen, wie dies in 15 dargestellt ist.
Auch wenn keine besonderen Rippen im Rohr oder dem Rahmen 39-1 vorgesehen sind, kann die Rohrgruppe die absorbierte Wärmemenge eines Fluidabschnitts 41 mit hoher Temperatur wirksam zu einem Fluidabschnitt 42 mit niedriger Temperatur abstrahlen.
(Vierzehnte Ausführungsform)
16(A) und 16(B) zeigen eine vierzehnte Ausführungsform der Wärmerohrschleife. Bei der vierzehnten Ausführungsform ist der schleifenförmige Behälter 1 (11, 22, 4) innerhalb eines äußeren Rohrbehälters t aus einem abgedichteten metallischen Rohr angeordnet, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Mehrere Aggregate der dünnen Rohrbehälter, die den Strömungswegen der Arbeitsflüssigkeit entsprechen, sind eng in den Behälter t eingepasst. Es wird darauf hingewiesen, dass der Hohlraum, der dem Strömungsrichtungsumlenkabschnitt entspricht, zwischen beiden Endflächen der Aggregate und des Rohrbehälters und der Innenwand beider Endflächen des äußeren Rohres t freigehalten ist.
Vorzugsweise werden alle Freiräume zwischen jeder Innenwand des äußeren Rohres und der Rohraggregate und zwischen den gegenseitigen Rohren luftdicht gehalten. Weiter ist jedes der Rohre mit einem Rückschlagventil versehen. Die Richtung der Arbeitsflüssigkeitsströmung wird mittels der Rückschlagventile in Vorwärtsrichtung der Arbeitsflüssigkeit in mehreren bestimmten Rohren des Aggregats begrenzt. Mehrere verbleibende Rohre sind für die Rückströmrichtung vorgesehen. Insgesamt strömt die Arbeitsflüssigkeit so, dass entsprechende Schleifen ausgebildet werden. Die Aggregate der dünnen Rohrbehälter werden dann in das äußere Rohr t eingesetzt, wie dies in 16(B) dargestellt ist. Insbesondere sind am äußeren Rohr t ein Heizungsabschnitt 5-1 und ein Kühlabschnitt 6-1 vorgesehen.
Weiter sind entsprechende dünne Rohre am wärmeabstrahlenden Abschnitt 22 und am wärmeisolierenden Abschnitt 4 vorgesehen. Der Hohlraum t-5 zwischen der Innenwand des äußeren Rohres t und einer Endfläche der dünnen Rohrgruppe dient als Sammler für die Arbeitsflüssigkeit.
Bei der vierzehnten Ausführungsform sind die Strömungsrichtungsumlenkabschnitte t-1 für die Arbeitsflüssigkeit gemäß 5(F) an beiden Enden der dünnen Rohre vorgesehen. Die freien Kammern t-5 an beiden Ende des äußeren Rohres t (siehe 15) dienen zur Änderung der Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit und bilden die schleifenförmigen Strömungswege der Arbeitsflüssigkeit infolge der Wirkung der Rückschlagventile 2-1, 2-2. Auf diese Weise kann das äußere Rohr t, in dem die Wärmerohrschleifen angeordnet sind, als längliches zylindrisches Wärmerohr verwendet werden, das eine hohe Leistung aufweist, und das jedes Problem des bekannten Wärmerohres löst (siehe die aufgezeigten Nachteile in der Einleitung).
In 16(B) ist in den Hohlräumen Füllmaterial 43 angeordnet, das eine gute Verträglichkeit mit der Arbeitsflüssigkeit aufweist. Es soll darauf hingewiesen werden, dass das Füllmaterial zur Ausfüllung der Zwischenräume eingebracht wird, indem man das Außenrohr so zusammenzieht, dass das Aggregat der Wärmerohrschleifen eine Bienenwabenform erhält.
Das Wärmerohr der vierzehnten Ausführungsform kann als Arbeitsflüssigkeit reines Wasser verwenden, da man ein ausreichend dauerhaftes Wärmerohr mit einem Außendurchmesser von 25 mm bei einer Betriebstemperatur von 300°C hat (der Druck des gesättigten Dampfes beträgt bei reinem Wasser bei dieser Temperatur 90 kg/cm²). Man erreicht dabei eine Wärmeübertragung von 30 KW, wenn das Außenrohr einen Außendurchmesser von 25 mm hat.
Auf diese Weise erhält man ein Wärmerohr, das eine ausreichende Festigkeit hat und in einem Temperaturbereich zwischen 200°C und 300°C verwendet werden kann.
Wie in der Beschreibung der japanischen Patentschrift 1209357 ausgeführt (entsprechend der JP 58-38099), ermöglicht ein Spritzgussteil oder extrudiertes Teil einen deutlich verminderten Energieverbrauch sowie eine sehr hohe Qualität und einen hohen Wirkungsgrad, wenn eine Wärmerohrspindel verwendet wird. Da das übliche Wärmerohr eine große Wärmeübertragungsmenge erfordert, liegt die maximale Arbeitstemperatur bei etwa 200°C, wenn man als Arbeitsflüssigkeit reines Wasser verwendet, und die Wärmeübertragungsleistung beträgt etwa 3 KW, so dass die Anwendbarkeit bei Kunststoffen begrenzt ist, weil die Wärmeübertragungsleistung unzureichend ist, so dass ein übliches Wärmerohr in der Praxis nicht verwendet werden kann. Das Wärmerohr gemäß der Erfindung löst dieses Problem und ermöglicht eine Verminderung der Wärmerohrspindel in der Praxis.
Das Wärmerohr gemäß der vierzehnten Ausführungsform kann in einem Temperaturbereich über 100°C verwendet werden, wenn man als Arbeitsflüssigkeit reines Wasser oder eine Arbeitsflüssigkeit der Freon-Serie verwendet. Hierdurch wird eine große Wärmeübertragung möglich. Weiter ist eine Verwendung des Wärmerohres bei vollständiger Kopfbeheizung (maximale Heizung) möglich, den Anwendungsbereich des Wärmerohres zu vergrößern.
(Fünfzehnte Ausführungsform)
17(A) und 17(B) zeigen eine fünfzehnte Ausführungsform des Wärmerohres.
Bei der fünfzehnten Ausführungsform ist das äußere Rohr t der vierzehnten Ausführungsform als hochdruckbeständig ausgebildet, wobei eine oder beide Kammern, die den Sammlern entsprechen, vergrößert sind und eine Turbine vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der Arbeitsflüssigkeitsströmung oder der Dampfströmung arbeitet, und eine Einrichtung zur Ausgabe der Rotationsenergie der Turbine vorgesehen ist. Die Wärmerohrschleife gemäß der fünfzehnten Ausführungsform zirkuliert die Arbeitsflüssigkeit oder ihren Dampf innerhalb des Rohrbehälters mit hoher Geschwindigkeit.
Gemäß 17(A) und 17(C) sind eine Turbine 65, ein Turbinenrad 65-1, eine Turbinenschaufel 65-2, eine Zirkulationsöffnung für den Durchgang der Arbeitsflüssigkeit 65-3 in einem Teil des Rohrbehdlters, der dem Vorwärtsströmungsweg für die Arbeitsflüssigkeit entspricht, ein Sammler t-5 und eine Energieausgabeeinrichtung 67 vorgesehen. In 17(A) und 17(B) umfasst die Energieausgabeeinrichtung ein äußeres Magnetrad 67-1 und ein inneres Magnetrad 67-2, die sich einstöckig mit der Turbine 65 drehen. Das äußere Magnetrad 67-1 dreht sich mit dem äußeren Rohr des Behälters 6-1 und treibt das innere Magnetrad 67-2 auf der Außenseite des äußeren Rohrbehälters 6-1 im Abstand über die Behälterwand an, so dass die Rotationskraft zu einer Ausgangswelle 66 übertragen wird. Die Energieausgabeeinrichtung 67 verwendet den Magnet oder andere alternative Mittel.
(Sechzehnte und Siebzehnte Ausführungsform)
18(A) bis 18(D) zeigen eine sechzehnte und eine siebzehnte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Bei diesen Ausführungsformen wird der in 11(A) dargestellte längliche Behälter als in elektrischen Motoren, Generatoren, Transformatoren und Elektromagneten verwendete Wicklung verwendet.
Die oben beschriebene Wicklung wird in eine Wicklung der Art, die in erster Linie für eine Wicklung mit großer Kapazität verwendet wird, eingeteilt, bei der ein Baumwollgarn, ein Baumwollband, ein Papierband usw. fest rings um einen Leiter gewickelt ist, und in eine solche Wicklung unterteilt, bei der ein emaillierter Draht in erster Linie verwendet wird, um eine Wicklung mittlerer oder geringer Kapazität zu erhalten, bei der eine Beschichtung einer Isolieremaille rings um den Umfang des Leiters aufgebracht ist.
Bei der sechzehnten bevorzugten Ausführungsform besteht das längliche dünne Rohr, das den schleifenförmigen Behälter darstellt, aus einem hohlen elektrischen Kupferdraht oder einem hohlen elektrischen Aluminiumdraht oder einer elektrisch isolierenden Faser, wie z.B. Baumwollgarn, einem Baumwollband oder einem Papierband, das fest um den Außenumfang eines unbeschichteten Drahtes gewickelt ist.
Bei der siebzehnten Ausführungsform wird anstelle der spiralförmigen Beschichtung der elektrisch isolierenden Fasern der sechzehnten Ausführungsform das lange dünne Rohr, das den schleifenförmigen Behälter darstellt, aus einem hohlen elektrisch emaillierten Draht gebildet, bei dem der unbeschichtete Außenumfang des Drahtes mit verschiedensten Arten von Emaillierbeschichtungen beschichtet ist, bei denen Tung-01, Polyurethan, Polyester, Polyamid und Polyimid die Hauptbestandteile sind.
Bei der siebzehnten Ausführungsform liegt der wärmeaufnehmende Abschnitt an einem temperaturgeregelten Gegenstand an, bei dem keine Wärmeübertragung stattfindet. Daher spielt eine Verminderung der Wärmeabstrahlleistung in Abhängigkeit von der Wanddicke des elektrisch isolierenden Gegenstandes (im allgemeinen ein wärmeisolierender Gegenstand) keine Rolle.
Eine selbsterzeugte Wärme aufgrund eines elektrischen Energieverlustes der Wärmerohrschleife im Inneren des gewickelten Gegenstandes wird selbst absorbiert und nach außen vom gewickelten Gegenstand weg abgestrahlt.
Diese bevorzugten Ausführungsformen zeichnen sich besonders durch leichten Betrieb, ein geringes Volumen und einen guten Wärmeabsorptionswirkungsgrad aus, verglichen mit der Kühlung, die durch die Wicklung der länglichen, gegenüberliegend angeordneten Rohre bei der neunten Ausführungsform (siehe 11(A)) erreicht wird. Die in der sechzehnten und siebzehnten Ausführungsform absorbierte Wärmemenge wird, wie bei der neunten und zwölften Ausführungsform, nach außen abgestrahlt (siehe 14(D)) und in der Praxis vermindert (siehe 6(B)).
In 18(A) und 18(B) wird die elektrische Isolierung nur für ein einziges Rohr dargestellt.
In 18(C) und 18(D) sind parallele Rohre integral miteinander isoliert oder aneinanderliegend isoliert. In den Figuren ist das Rohr 1, 11, 22 mit einer Isolierbeschichtung in Form einer Spiralwicklung 4 oder einer beschichteten Wicklung (44) dargestellt.
Beispielsweise kann bei einem elektrischen Motor, einem Generator, einem Transformator, einem Elektromagnet usw., bei dem die Wicklungen oder ein Teil der Wicklungen aus dem Wärmerohr bestehen, der maximal mögliche Strom, unabhängig von der Volumensteigerung, infolge der Verwendung der hohlen Leiter entscheidend gesteigert werden. Entsprechend kann der gewickelte Gegenstand kleiner gebaut und verstärkt werden.
(Achtzehnte Ausführungsform)
19(A) bis 19(F) zeigen eine achtzehnte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Ein feuerbeständiger elektrischer Draht und ein wärmebeständiges Kabel dienen als elektrische Leitungen und Kabel für die Stromversorgung eines wichtigen Gerätes innerhalb eines Gebäudes für eine bestimmte Zeitdauer, bis beim Auftreten eines Feuers das Feuer bekämpft werden kann.
Bei der achtzehnten Ausführungsform wird die Wärmerohrschleife als Leiter in einem Kern der oben beschriebenen elektrischen Leitungen und Kabel verwendet, um die feuerbeständigen, hitzebeständigen und flammenbeständigen Isolierbeschichtungen der Leitungen zu kühlen, so dass die Zeitdauer der Feuerbeständigkeit und Hitzebeständigkeit entscheidend verlängert werden kann und eine Freilegung verhindert wird.
19(A) bis 19(F) zeigen Querschnitte der elektrischen Drähte und Kabel, in denen eine einzige Wärmerohrschleife und gegenüberliegend angeordnete Rohrbehälter verwendet werden.
19(A) und 19(D) zeigen den feuerbeständigen Aufbau, 19(B) und 19(E) zeigen den hitzebeständigen Aufbau und 19(C) und 19(F) zeigen den flammenbeständigen Aufbau.
In 19(A) bis 19(F) ist ein Rohrbehälter 1 (1-1, 1-2) dargestellt, der aus einem elektrischen Leiter besteht, weiter ist eine wärmebeständige Isolierbeschichtung 45, eine feuerbeständige Schicht 46 und eine flammenbeständige Isolierbeschichtung 47 vorgesehen.
In der achtzehnten Ausführungsform ist die feuerbeständige Beschichtung 46 ausreichend dick, um den Temperaturabfall innerhalb der feuerbeständigen Schicht zu vergrößern und die Wärmeübertragungsmenge zu vermindern, so dass die Feuerstandzeit und die Hitzestandzeit verlängert werden können und man ausgezeichnete feuerbeständige und hitzebeständige elektrische Drähte und Kabel erhält.
Der feuerbeständige, hitzebeständige elektrische Draht in Form der Wärmerohrschleife gemäß der achtzehnten Ausführungsform kann einer hohen Temperatur des Feuers standhalten, bis das Feuer gelöscht ist, wenn die Leiteroberflächentemperatur unterhalb 300°C bis 350°C liegt, im Falle, dass reines Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, oder unterhalb 400°C bis 450°C liegt, im Falle, dass Naphtalen oder Abkömmlinge davon verwendet werden.
(Neunzehnte Ausführungsform)
20(A) bis 20(D) zeigen eine neunzehnte Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
In der neunzehnten Ausführungsform wird die Wärmerohrschleife an den Strahlungsteil eines Stromkabels angebracht.
20(A) und 20(B) zeigen Beispiele der Anbringung des Wärmerohres an ein Stromkabel 48, das innerhalb des Erdreiches 51 liegt. 20(C) und 20(D) zeigen Beispiele der Anbringung der Wärmerohre am Leiter 48, die innerhalb eines Telefontunnels 50 oder ähnlichem angeordnet sind.
20(A) und 20(C) sind Querschnittsansichten des Telefontunnels 50 in Richtungen senkrecht zum Leiter, und 20(B) und 20(D) sind Ansichten des Leiters 48.
Man sieht mehrere Wärmerohre mit Arbeitsflüssigkeitsumlenkabschnitten t-1 bis t-6, die den Aufbau gemäß denen in 5(A) bis 5(E) und 5(G) haben. Die Wärmerohre können direkt angebracht werden, oder es können die in 11(C) gezeigten zick-zack-förmigen Rohre oder die in 11(E) gezeigten verwendet werden.
Die wärmeaufnehmenden Abschnitte des Wärmerohres 1 können rings um den Umfang des Leiters 48 gewickelt oder längs des Leiters 48 angeordnet sein (siehe 6(A) und 6(B)).
Die wärmeabstrahlenden Abschnitte 22, 22-1, 22-2 in 20(A) und 20(B) sind direkt im Erdreich 51 angeordnet.
Die Wärmeabstrahlungsleistung kann verbessert werden, wenn man die Rohre weiter nach außen verlängert, wie dies bei 22-1 und 22-2 dargestellt ist.
Die so aufgebauten Wärmerohre können wirksam die im Leiter 48 erzeugte Wärme in das Erdreich 51 abstrahlen und den maximal erlaubten Strom im Leiter vergrößern. 20(C) und 20(D) zeigen Wärmerohre 1, bei denen die verstärkte Kühlung eine weitere Steigerung des maximalen Stroms ermöglicht. Der wärmeabstrahlende Abschnitt 22 ist um eine Kühlwasserleitung 49 gewickelt, der dem Kabel 48 gegenüberliegend angeordnet ist.
(Zwanzigste Ausführungsform)
21(A) bis 21(C) zeigen eine zwanzigste Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
In 21(A) ist die Wärmerohrschleife 1 um optische Fasern 52-1, 52-2 gewickelt, wobei weiter eine Feuerschutzschicht (wärmeisolierende Schicht) 46 und eine wärmebeständige Schicht (Wärmeableitschicht) 45 auf deren Außenseite vorgesehen sind.
In 21(B) erstrecken sich die optischen Fasern 52-1, 52-2 längs der zwei Umfangsenden des Behälters 1, um die dann die feuerbeständige Schicht 46 und die hitzebeständige Schicht 45 angeordnet sind.
In 21(C) sind die optischen Fasern 52-1, 52-2 in Nuten 53-1, 53-2 angeordnet, die längs einer äußeren Umfangsfläche des Wärmerohres 1 vorgesehen sind, und die feuerbeständige Schicht 46 und die hitzebeständige Schicht 45 erstrecken sich rings um den Umfang der Nuten 53-1, 53-2. Der wärmeabstrahlende Teil des Wärmerohres 1 wird mittels der Wasserkühlung gekühlt, die mit dem Sprinkler oder dem Feuersignal zusammenarbeitet, um die Wärme rings um die optischen Fasern zu absorbieren. Somit kann für eine bestimmte Zeitdauer die Funktion der optischen Fasern gegen äußere Flammen und Feuer und hohe Temperatur geschützt und aufrechterhalten werden.
(Einundzwanzigste Ausführungsform)
22(A) bis 22(C) zeigen eine einundzwanzigste Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Bei der einundzwanzigsten Ausführungsform erstrecken sich die Rohre 1-1, 1-2 parallel zueinander und haften gegenseitig an der feuerbeständigen Beschichtung 46.
In 22(A) sind die Rohre 1-1, 1-2 im Querschnitt kreisförmig und weisen an beiden Oberflächen Nuten auf. Die optischen Fasern 52-1, 52-2 sind in den Nuten untergebracht und erstrecken sich längs der Rohre 1-1, 1-2. Die Kühlwirkung der einundzwanzigsten Ausführungsform ist, verglichen mit der zwanzigsten Ausführungsform, doppelt so groß.
Wenn die optischen Fasern 52-1, 52-2 mit Metall beschichtet sind, wird die Kühlwirkung weiter verbessert. Somit ist die Übertragungseigenschaft für eine optische Information vollständig gegen Feuer geschützt.
In den 22(B) und 22(C) weist das Rohr einen halbkreisförmigen Querschnitt bzw. einen rechtwinkligen Querschnitt auf. Die Haftflächen der Rohre 1-1, 1-2 sind flach. Die optischen Fasern 52-1, 52-2 sind in einem durch Nuten 53-1, 53-2, die sich längs der Außenwände der Haftflächen der Rohre erstrecken, gebildeten Raum untergebracht, so dass ein Eindringen von Flammen und hoher Temperatur vollständig verhindert wird.
Die feuerbeständige Schicht 46 und die wärmebeständige Schicht 45 halten eine hohe Temperatur, die durch Feuer bewirkt wird, ab, so dass eine zu große Steigerung des gesättigten Dampfdruckes der Arbeitsflüssigkeit in den Rohren 1-1, 1-2 vermieden wird. Die Beschichtungen dienen zum Abhalten der Wärme ohne eine vollständige Verbrennung infolge der Kühlwirkung des Wärmerohres.
(Zweiundzwanzigste Ausführungsform)
23(A) und 23(B) zeigen eine zweiundzwanzigste Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Eine superleitende Beschichtung 54 ist rings um den äußeren Umfang des Rohres 1 angebracht, und eine metallische Rohrbeschichtung 56, bestehend aus einem elektrischleitenden und wärmeleitenden metallischen Material, ist vorgesehen. Die superleitende Beschichtung 54 kann aus einem Band aus einem superleitenden Material bestehen, das fest und spiralförmig aufgewickelt ist. Wenn weiter das superleitende Material ein keramisches Material ist, kann das superleitende Material direkt rings um das Rohr 1 gesintert werden. Im Fall des Kabels kann die Beschichtung weiter ungesintert aufgebracht werden und kann nach der Endbearbeitung gesintert werden (im Fall einer Wicklung nach dem Aufwickeln).
Das Material des Rohres 1 und des metallischen Rohres 56 kann im allgemeinen reines Kupfer sein. Das Rohr bzw. der rohrförmige Behälter 1, die superleitende Beschichtung 54 und die metallische Rohrbeschichtung 56 können einstöckig durch Verkleben miteinander oder durch Ziehen oder Pressen hergestellt werden. Das Rohr 1 und die metallische Rohrbeschichtung 56 absorbieren eine infolge einer Zerstörung des superleitenden Zustandes in einem kleinen Teil erzeugte Hitze, die während des Betriebes erzeugt wird, um den superleitenden Zustand zu stabilisieren. Weiter dient die metallische Rohrbeschichtung 56 als elektrisch isolierende Beschichtung bei einer Superleitung.
In 23(B) erstreckt sich eine Nut 53 längs der Wandfläche des äußeren Umfangs des Rohres 1. Ein superleitender Draht 55 wird in die Nut 53 eingesetzt. Das Rohr 1, der superleitende dünne Draht und das metallische Rohr 56 sind einstöckig miteinander verbunden. Die Wirkung jedes Teils ist die gleiche wie bei der in 23(A) dargestellten Ausführungsform. Das so aufgebaute Rohr kann leicht als super leitender Draht spulenförmig oder in einer anderen erforderlichen Form hergestellt werden. Der wärmeabstrahlende Teil kühlt den davon beabstandeten Drahtabschnitt unter seine kritische Temperatur und kann den superleitenden Zustand aufrechterhalten.
Die Anwendung der Wärmerohrschleife bei einem superleitenden Draht hat die folgenden Vorteile, verglichen mit einem in üblicher Weise getauchten superleitenden Draht.

(a) Da es nicht erforderlich ist, den Spulenteil in die Kühlflüssigkeit einzutauchen, ist die Form und die Abmessung der Spule eines superleitenden Drahtes frei. Die Freiheit bei der Auslegung der Spule wird vergrößert.
(b) Da der Wärmeabstrahlungsabschnitt (der in die Kühlflüssigkeit eingetauchte Teil) an einem Abschnitt angeordnet ist, der von dem superleitenden Draht beabstandet ist, kann er verkleinert werden, so dass das Tauchgefäß auch verkleinert werden kann, auch wenn der Spulenabschnitt groß wird. Entsprechend ist der Wärmeverlust gering und der Verbrauch an Kühlflüssigkeit kann vermindert werden.
(c) Die Superleitung eines Generators oder eines Rotors, wie z.B. eines Motors, kann erreicht werden. D.h., eine Wicklung eines Stators kann auf einfache Weise in der Praxis vermindert werden, wie dies in 6(B) dargestellt ist. Im Falle des Rotors ist die dort ausgebildete Spule ebenfalls in 6(B) dargestellt. In diesem Fall ist der wärmeabstrahlende Abschnitt 22 der Spule koaxial rings um die Rotationsachse angeordnet und während der Rotation in das Kühlgefäß eingetaucht. Alternativ kann der wärmeabstrahlende Abschnitt 22 in eine Kühltasche eingebracht werden, die rings um die Rotationsachse angeordnet ist. Der wärmeerzeugende Abschnitt, mit Ausnahme des Spulenabschnitts, verwendet die Wärmerohrschleife gemäß der neunten Ausführungsform, bei der die Arbeitsflüssigkeit der zweiundzwanzigsten Ausführungsform eingefüllt ist. Der wärmeabstrahlende Abschnitt kühlt daher den Spulenabschnitt bis zur kritischen Temperatur, um den superleitenden Zustand des Spulenabschnitts aufrechtzuerhalten. Es ist gewünscht, dass bis zu oder über die kritische Temperatur hinaus in der gleichen Weise gekühlt wird, wenn der Stator und der Rotor keine Spule benötigen.
(d) Wenn das Wärmerohr bei einer superleitenden Spule in einem Transformator mit großer Kapazität verwendet wird, kann eine Kühlgefäß des Spulenabschnitts weggelassen werden, und der Aufbau des Transformators kann merkbar verkleinert werden, da kein Kupferverlust vorhanden ist.

In diesem Fall wird eine erzeugte Wärme infolge des Eisenverlustes ausreichend infolge der niedrigen Temperatur des superleitenden Drahtes gekühlt, und das Kühlgefäß kann entfallen. Das Kühlgefäß ist in diesem Fall nur ein kleiner Kühler zur Kühlung der wärmeabstrahlenden Abschnitte der ersten Spule und der zweiten Spule, wie dies bei der Kühlung 6 in 6(B) dargestellt ist. Wenn die Wärmeerzeugung infolge des Eisenverlustes merkbar ist, wird vorzugsweise eine Hilfskühlung in der gleichen Weise wie bei Punkt (c) hinzugefügt.

(d) Wenn die Wärmerohrschleife bei einem Energieübertragungskabel verwendet wird, braucht nur ein einfacher Tauchkühler, wie in 6(A) dargestellt, für jede vorbestimmte Strecke eingebaut zu werden, obwohl im Fall eines üblichen Energieübertragungskabels mit Superleitung nur eine Wärmepumpe für eine äußerst niedrige Temperatur erforderlich ist, um die äußerst niedrige Kühlflüssigkeit durch ein Kühlrohr oder ein superleitendes Rohr über eine bestimmte Strecke zu bewegen. D.h. die Installationskosten werden nicht nur vermindert, sondern es entfallen ebenfalls die Wartungskosten für die Pumpe.

(Dreiundzwanzigste Ausführungsform)
24(A) bis 24(F) zeigen eine dreiundzwanzigste bevorzugte Ausführungsform einer leitenden Wärmerohrschleife.
Bei der dreiundzwanzigsten Ausführungsform hat das Rohr bzw. der rohrförmige Behälter 1 (1-1, 1-2) einen rechtwinkligen Querschnitt und dient zur Umfassung von mehreren superleitenden Bändern 57 oder superleitenden feinen Drähten 55.
In 24(A) und 24(B) werden die superleitenden Bänder 57 an flachen Flächen des Rohres 1 umfasst. In 24(C) bis 24(F) sind die superleitenden Bänder 57 oder superleitenden Drähte 55 eingesetzt und werden von Drahtnuten 58 oder kleinen Nuten 53 aufgenommen.
24(A), 24(C) und 24(E) zeigen Beispiele des Rohres, auf das die Bänder oder Drähte spiralförmig aufgewickelt sind. In diesem Fällen liegen die Bänder oder Drähte zwischen den Rohren an einer Innenschicht oder an einer Außenschicht, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die superleitenden Bänder haften nur an einer Seite des Rohres 1.
In 24(B), 24(D) und 24(F) werden die superleitenden Gegenstände (Bänder oder Drähte) mittels zwei Rohren 1-1, 1-2 gehalten. Die Wirkung der dreiundzwanzigsten Ausführungsform ist die gleiche wie die der zweiundzwanzigsten Ausführungsform. Die dreiundzwanzigste Ausführungsform ist sehr geeignet, um superleitende Spulen zu bilden. Da kein Zwischenraum vorhanden ist, wird die Kühlwirkung verbessert.
(Vierundzwanzigste Ausführungsform)
25 zeigt eine vierundzwanzigste Ausführungsform der Wärmerohrschleife.
Wie in 25 dargestellt, ist die Wärmerohrschleife als ein superleitendes, energieübertragendes Kabel hoher Kapazität oder als ein superleitendes Kabel ausgebildet, um eine große superleitende Spule zu bilden. Die Wärmerohrschleife der vierundzwanzigsten Ausführungsform besteht aus einem superleitenden Material, das als Füllmaterial verwendet wird, z.B. wie in den 12(A) und 12(B) dargestellt. Bei der vierundzwanzigsten Ausführungsform wird jedes Rohr vorher mit einer Beschichtung eines superleitenden Materials versehen, bevor jedes Rohr verdreht wird.
In 25 ist eine Rohrgruppe 1-3 dargestellt, die in einem Bündel angeordnet ist oder gegenseitig verdreht ist. Die Rohrgruppe 1-3 ist in ein metallisches Rohr 56 eingesetzt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Flexibilität aufweist.
Das superleitende Material 59 ist auf dem Außenumfang jedes Rohres aufgebracht, bevor die Rohre zusammengefügt oder verdreht werden. Wenn das metallische Rohr 56 eingesetzt wird, sind sämtliche Zwischenräume im Rohr 56 und zwischen der Rohrgruppe 1-3 dicht mit dem superleitenden Material 59 gefüllt. Vorzugsweise sind die metallische Rohrinnenwand im metallischen Rohr, das superleitende Material und die Außenwand des Wärmerohres mittels bestimmten Einrichtungen in den Verbund integriert. Die vorbestimmte Einrichtung ist im allgemeinen eine Vorrichtung zur Verminderung des Querschnitts, mit der ein Zieh- oder Pressverfahren durchgeführt werden kann. Bei dem superleitenden Kabel ist das superleitende Material 59 ungesintert. Nach dem Verkleben während des Einbaus des Kabels und nach dem Biegen kann das superleitende Material gesintert werden, um das superleitende Material 59 zu erhalten.
Da bei dem oben beschriebenen superleitenden Kabel das superleitende Material einen großen Querschnitt aufweist, ist es für ein Starkstromkabel und für große superleitende Transformatoren hoher Kapazität geeignet. Das superleitende Kabel, in das die Wärmerohrgruppe 1-3 eingedreht ist, wird dann verwendet, wenn eine bestimmte Flexibilität erforderlich ist. Das superleitende Kabel, in das die Wärmerohrgruppe im Bündel eingebaut ist, wird verwendet, wenn eine Linearität erforderlich ist. Die Wirkung der vierundzwanzigsten Ausführungsform ist die gleiche wie die der zweiundzwanzigsten Ausführungsform.
Die hier beschriebene Wärmerohrschleife löst nicht nur die in der Einleitung aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik, sondern bietet weiter neue, ausgezeichnete Eigenschaften, die im folgenden beschrieben werden.

(a) Kein Auftreten einer Streugrenze.

Da die Ströme der Arbeitsflüssigkeit des Dampfes in der gleichen Richtung gerichtet sind, tritt keine Streugrenze auf.
Die Menge der Arbeitsflüssigkeit, die Menge der eingebrachten Wärme und die Geschwindigkeit des Dampfstromes können im all-gemeinen gesteigert werden.
Entsprechend ist die Leistung des Wärmerohres für den Wärmetransport merklich gesteigert.

(b) Kein Auftreten der Dochtbegrenzung.

Da in dem Wärmerohr 1 kein Docht vorhanden ist und es stattdessen mit der Arbeitsflüssigkeit gefüllt und verschlossen ist, wobei die Arbeitsflüssigkeit durch den Dampfdruck vorwärtsbewegt wird, besteht für den Umlauf der Arbeitsflüssigkeit bei einer Steigerung des Wärmeeingangs keine Schwierigkeit, sondern es wird lediglich die Umlaufgeschwindigkeit vergrößert.

(c) Kein Auftreten von Störungen infolge von plötzlichem Auf kochen, wie z.B. Wasserschlag.

Da die eingefüllte Arbeitsflüssigkeit durch den Dampfdruck bewegt wird, wird die Umlaufgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit gesteigert, auch wenn ein plötzlicher und großer Wärmeeingang auftritt, wobei die gesamte Wärmemenge vollständig absorbiert wird.
Infolge der in den Punkten (a), (b) und (c) beschriebenen Eigenschaften kann die beschriebene Wärmerohrschleife große Wärmemengen transportieren, unabhängig von dem kleinen Durchmesser des Wärmerohres.

(d) Es besteht keine Begrenzung der Bandlänge, so dass die Herstellung des Wärmerohres möglich ist.

Theoretisch besteht keine Begrenzung infolge einer starken Antriebskraft für die Arbeitsflüssigkeit und eine Verstärkung der Antriebskraft in mehreren wärmeaufnehmenden und wärmeabstrahlenden Abschnitten. Praktisch kann man Wärmerohrschleifen mit einer Länge von 500 bis 2.000 m herstellen.
Man kann ein äußerst dünnes Wärmerohr herstellen, und zwar aufgrund der gleichen Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit und des Dampfes, wobei keine gegenseitige Störung auftritt. Ein Versuch zeigt die Arbeitsweise eines Wärmerohres mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm.

(e) Es spielt keine Rolle, welche Lage das Wärmerohr einnimmt, wobei das Wärmerohr eine ausreichend gute Leistung hat.

Die Leistung des Wärmerohres wird nicht durch das Gewicht infolge der starken Antriebskraft für die Arbeitsflüssigkeit und die hohe Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit beeinflusst. Es findet daher keine Änderung der Leistung infolge der Lage des Wärmerohres statt.

(f) Äußerst große Freiheit beim Einbau des Wärmerohres.

Die Leistung des Wärmerohres ist nicht von der Einbaulage abhängig, und das Wärmerohr kann leicht mit bestimmten Einrichtungen gebogen werden. Das Wärmerohr kann in willkürlicher Richtung gebogen werden.
Bei einem vollständig vergüteten Kupferrohr mit einem Außendurchmesser unterhalb 4 mm oder bei einem Wärmerohr aus Aluminium kann das Wärmerohr leicht von Hand gebogen werden. Es ist ebenfalls möglich, eine Oberflächenwärmeaufnahme und eine Oberflächenwärmeabstrahlung zu erreichen, wobei eine flache Fläche durch verschiedene Wenden des Rohres gebildet wird.
Da eine derartige Wärmerohrschleife einen geeignet ausgebildeten Strömungsumlenkabschnitt an beiden Enden des länglichen Rohres aufweist, bei dem die mittleren Abschnitte des Rohres gegenüberliegend angeordnet sind, kann man parallele Drähte oder Bänder verwenden, so dass für die Montage ein großer Freiheitsgrad gegeben ist. D.h., man kann das Wärmerohr wickeln, anpassen und anbringen, wobei mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte und wärmeabstrahlende Abschnitte frei in dem Wärmerohr ausgebildet werden können.
5(A) bis 5(K) zeigen verschiedene Arten des Aufbaus der Strömungsrichtungsumlenkabschnitte t-1 für die Arbeitsflüssigkeit, um derartig gegenüberliegende Drähte und Bänder auszubilden.
5(A) zeigt den Strömungsrichtungsumlenkabschnitt t-1 bei einem U-förmig gebogenen Rohr, um gegenüberliegende Rohre auszubilden.
5(B) zeigt den Strömungsrichtungsumlenkabschnitt t-1 in einer kreisförmigen Form, um einander berührende, gegenüberliegende Rohre auszubilden.
5(C) und 5(D) zeigen den Aufbau des Wärmerohres, das eine gemeinsame Öffnung t-3 aufweist, um ein aneinanderliegendes, gegenüberliegendes Wärmerohr 1 auszubilden.
5(E) und 5(F) zeigen den Aufbau des Wärmerohres mit einem kleinen Sammler t-5, um das aneinanderliegende, gegenüberliegende Rohr 1 auszubilden.
5(I) und 5(J) zeigen den Aufbau des Wärmerohres mit dem kleinen Sammler t-5, um mehrere parallel gebündelte Rohre auszubilden.
5(K) zeigt den Aufbau mehrerer gebogener Rohrabschnitte t-1, t-2 und t-6, um mehrere parallele Rohre auszubilden.
6(A) bis 6(C) zeigen schematisch den Aufbau entsprechender gegenüberliegender Wärmerohre von 5(A) bis 5(K).
6(A) zeigt einen Zustand, in dem ein gegenüberliegendes bzw. ein aneinanderliegendes Rohr fest an einen länglichen wärmeerzeugenden Gegenstand 5 angebracht ist.
6(B) zeigt ein nebeneinanderliegendes Rohr von 6(A).
In den 6(A) und 6(B) liegen der wärmeaufnehmende Abschnitt 11 (11-1, 11-2) an dem länglichen wärmeerzeugenden Gegenstand 5, und der wärmeabstrahlende Abschnitt 22 ist innerhalb der Kühlung 6 angeordnet.
Der wärmeabstrahlende Abschnitt von 6(A) ist einer von mehreren wärmeabstrahlenden Abschnitten.
6(B) zeigt ein Beispiel des wärmeaufnehmenden Abschnitts 11, der mit einem zylindrischen wärmeerzeugenden Gegenstand 5 in enger Berührung steht und um ihn in spiralförmiger Form herumgewickelt ist. Die wärmeabstrahlenden Abschnitte 22 sind innerhalb der Kühlung 6 über dem wärmeisolierenden Abschnitt 4 angeordnet, immer wenn die wärmeabstrahlenden Abschnitte 22 in der Kühlung 6 umgelenkt werden. Bei diesem Anwendungsbeispiel überschreitet die Länge der Wärmerohrschleife der nebeneinander angeordneten Rohre 1.000 m.
Die Bezugszeichen 4-1 und 4-2 bezeichnen die wärmeisolierenden Abschnitte.
Die Wärmeübertragung in diesem Fall überschreitet 1.000 KW. Die Wärmerohrschleife kann mittels einem einzigen nebeneinanderliegend angeordneten Rohr mit einem Innendurchmesser von 2 bis 3 mm hergestellt werden, wobei die wärmeisolierenden Abschnitte 4-1, 4-2 gegenüber- bzw. nebeneinander liegen.

(g) Einfaches Verfahren zum Abdichten der Arbeitsflüssigkeit innerhalb des Rohres.

Da die Arbeitsflüssigkeit und ihr Dampf immer mit hoher Geschwindigkeit zirkulieren, wird die Leistung des Wärmerohres nicht verschlechtert und die Arbeitsweise des Wärmerohres nicht unterbrochen, auch wenn kleine Mengen des nichtkondensierbaren Gases zugegeben und mit der Arbeitsflüssigkeit im Rohr vermischt werden, da das nichtkondensierbare Gas innerhalb eines Teils des Rohres bleibt. Es ist daher nicht erforderlich, sehr genau auf die Größe des Vakuums innerhalb des Rohres beim Einfüllen der Arbeitsflüssigkeit zu achten.
Es ist daher möglich, die Arbeitsflüssigkeit mit einem üblichen Verfahren, wie z.B. dem sogenannten Verdampfungsverfahren und Kondensationsverfahren, einzufüllen.
Weiter wird es möglich, die Arbeitsflüssigkeit an einer abgelegenen Seite einzufüllen, die Arbeitsflüssigkeit zu regenerieren und die Arbeitsflüssigkeit zu erneuern, um die Leistung zu ändern.
Die Wärmerohrschleife hat folgende Eigenschaften:

(h) Keine plötzliche Verschlechterung der Wärmerohreigenschaften wie bei dem üblichen Aufbau des Wärmerohres.

Da die Funktion in einer Vorrichtung, in der das Wärmerohr nicht eingebaut ist, nicht plötzlich abnimmt, wird es möglich, eine regelmäßige Erneuerung durchzuführen. Daher ist die Wartung sehr bequem.

(i) Der Temperaturbereich der Arbeitsflüssigkeit, die üblicherweise verwendet wird, kann um eine Temperatur von etwa 100'C bis 150°C erhöht werden.

Das Wärmerohr ist hochdruckbeständig, wobei man mit nur einer geringen Steigerung der Wanddicke eine Hochdruckbeständigkeit erreichen kann.
Da beispielsweise ein übliches Kupferrohr einen Außendurchmesser von 3,2 mm und einen Innendurchmesser von 2 mm aufweist, können Innendrücke von 270 kg/cm² bei Raumtemperatur und 90 kg/cm² bei 350°C ohne weiteres aufgebracht werden. Der Druck des gesättigten Dampfes von reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit beträgt 90 kg/cm² bei 350'C, so dass das Wärmerohr aus dem im Handel erhältlichen Kupferrohr hergestellt werden kann und sicher bei 250°C arbeitet. Die Sicherheitstemperatur des bekannten Wärmerohres betrug 200'C, wenn reines Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wurde, und betrug 100'C, wenn als Arbeitsflüssigkeit Freon-11 (Trichlorfluormethan) verwendet wurde. Dies ist ein wichtiges Merkmal, so dass die Arbeitsflüssigkeit eine ausreichende Leistung bei einer Temperatur von 200°C bis 350°C hat.

(j) Wenn der Wärmeeingang die vorbestimmte Größe überschreitet, wird die Temperatur konstant (im Falle einer aus reinem Wasser bestehenden Arbeitsflüssigkeit) in bezug auf die Steigerung des Wärmeeingangs, oder die Temperatur wird wesentlich konstant (im Falle von Freon-11 als Arbeitsflüssigkeit). Daher kann die maximale übertragene Wärmemenge in hohem Maße gesteigert werden.

Dies beruht auf der synergistischen Wirkung einer Verminderung des prozentualen dynamischen Viskositätskoeffizienten in der Arbeitsflüssigkeit zusammen mit dem Temperaturanstieg und einer prozentualen Steigerung des Druckes des gesättigten Dampfes in der Arbeitsflüssigkeit, der mit dem Temperaturanstieg der Arbeitsflüssigkeit ansteigt. Die oben beschriebene Funktion ist für die Wärmerohrschleife einzigartig. Diese Funktion gestattet eine merkbare Steigerung der maximal übertragenen Wärmemenge und schafft eine sichere Wärmeübertragung zum Heizen und Kühlen von temperaturgesteuerten Gegenständen, so dass ein Temperaturanstieg über eine bestimmte Temperatur und eine plötzliche Temperaturänderung die Wärmerohrschleife nicht in einen gefährlichen Zustand bringt.

(k) Auch wenn irgendeine Arbeitsflüssigkeit mit einer niedrigen Wärmetransporteigenschaft bei einem üblichen Wärmerohr verwendet wird, kann, da die latente Warme beim Verdampfen und Kondensieren zu klein ist, die Kühlwirkung des Wärmerohres für irgendeine Arbeitsflüssigkeit, die einen niedrigen dynamischen Viskositätskoeffizienten und einen hohen Druck des gesättigten Dampfes aufweist, merkbar gesteigert werden.

Die oben beschriebene Eigenschaft ist insoweit bei der Wärmerohrschleife einzigartig, wobei angenommen werden kann, dass dies durch die merkbare Steigerung der Zirkulationsgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit bewirkt wird. Es ist notwendig, alle üblichen Wärmeübertragungseigenschaften bei verschiedenen Flüssigkeiten für die Wärmerohrschleife zu untersuchen. Wenn Freon-11 in dem bekannten Wärmerohr verwendet wird, so beträgt die Wärmeübertragungsfähigkeit nur einen Bruchteil von dem von reinem Wasser (vorausgesetzt, dass die Temperatur am wärmeaufnehmenden Abschnitt im Bereich von 40°C bis 100°C liegt). Wenn Freon-11 bei der Wärmerohrschleife verwendet wird, kann die Wärmerohrschleife eine Wärmeübertragung durchführen, die 10 bis 50 % größer als die von reinem Wasser in dem bekannten Wärmerohr ist.
Es wurde ein Versuch mit einer zick-zack-förmigen Wärmerohrschleife mit einer Gesamtlänge von 20 m durchgeführt, die 20 wärmeaufnehmende Abschnitte, 20 wärmeabstrahlende Abschnitte aufweist, wobei die Länge jedes wärmeaufnehmenden Abschnitts und jedes wärmeabstrahlenden Abschnitts 100 mm betrug. Weiter wurde der Wärmewiderstandswert in bezug auf den Wärmeeingang im Fall von reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit und im Fall von Freon-11 als Arbeitsflüssigkeit verglichen. Die Versuchsbedingungen waren so, dass ein gebogener Rohrabschnitt der Schleife in einen Wasserstrom niedriger Geschwindigkeit getaucht wurde, um den wärmeabstrahlenden Abschnitt zu bilden, wobei Teile in der Nähe der anderen Enden in zwei Heizblöcken nebeneinanderliegend angeordnet waren, und die Messung bei einer vertikalen Kopfbeheizungslage durchgeführt wurde.

(i) Als Arbeitsflüssigkeit wurde reines Wasser verwendet.
(ii) Als Arbeitsflüssigkeit wurde Freon-11 verwendet.

Da ein einfaches Messverfahren verwendet wurde, wurde der thermische Berührungswiderstand gesteigert, so dass eine Berührung zwischen einer Oberfläche des wärmeaufnehmenden Abschnitts des Wärmerohres und der Blockebene keine Oberflächenberührung schaffte. Der steigende thermische Widerstand lag empirisch in einem Bereich von etwa 0,05°C/W bis 0,07°C/W. Es kann daher als wahrer thermischer Widerstandswert ein um 0,05°C verminderter Messwert angenommen werden.
Man erkennt folgendes.

(i) Im Fall, in dem reines Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, ist die Temperatur konstant, wenn der Wärmeeingang 500 W überschreitet. Im Falle von Freon-11 als Arbeitsflüssigkeit ist der Temperaturanstieg äußerst gering.
(ii) Freon-11, dessen latente Wärme nur 1/13 des von reinem Wasser ist, zeigt einen besseren thermischen Widerstandswert als reines Wasser. Dies liegt daran, dass der Druck des gesättigten Dampfes von Freon-11 bei 95°C um das Zehnfache größer als der des reinen Wassers ist, und dass der dynamische Viskositätskoeffizient etwa 1/3 beträgt. Aus diesem Grund wird die Zirkulationsgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit äußerst hoch, so dass die verminderte latente Wärme ausgeglichen wird.
(iii) Da ein weiches Kupferrohr einen Innendurchmesser von 2 mm und einen Außendurchmesser von 3 mm aufweist, wird ein Druckwiderstand von über 240 kg/cm² bei normaler Temperatur und über 160 kg/cm² bei 200°C erreicht, wobei die Drücke des gesättigten Dampfes von reinem Wasser und Freon-11 berücksichtigt wurden, so dass ein weiches Kupferrohr bei Temperaturen oberhalb 150°C im Falle von reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit und bis zu einer Temperatur des wärmeaufnehmenden Abschnitts von über 100°C im Fall von Freon-11 als Arbeitsflüssigkeit verwendet werden kann. Die maximal übertragbare Wärmemenge der Zick-Zack-förmigen Wärmerohrschleife, die in dem Versuch verwendet wurde, erreichte schätzungsweise etwa 10 KW. Andererseits lag die übertragene Wärmeleistung eines Wärmerohres mit einem Innendurchmesser von 2 mm und einem Außendurchmesser von 3 mm nur unter 500 W, auch wenn 20 Wärmerohre nebeneinander angeordnet waren.

Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung weist neue Eigenschaften auf und kann auf vielen Anwendungsgebieten verwendet werden. Die Anwendungsgebiete sind nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern können überall dort liegen, wo Wärmeübertragungsvorrichtungen vorgesehen sind.

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einem wärmeabgebenden Bereich und einem wärmeaufnehmenden Bereich, umfassend (a) mindestens ein in sich luftdicht geschlossenes Rohrleitungssystem (1), (b) ein wärmetransportierendes Fluid (7) innerhalb des Rohrleitungssystems (1) und (c) mindestens ein Rückschlagventil (2) im Rohrleitungssystem (1) aufweisende Zirkulationsmittel zum Bewirken einer Zirkulationsströmung des Fluids (7) im Rohrleitungssystem (1) in vorbestimmter Richtung, worin (d) das Fluid (7) innerhalb eines durch eine untere und obere Arbeitstemperatur der Wärmeübertragungsvorrichtung bestimmten Bereiches zwischen einer flüssigen Phase und einer dampfförmigen Phase wechselt, (e) mindestens ein erster Teil des Rohrleitungssystems (1) als wärmeaufnehmender Abschnitt (H; 11) ausgebildet ist zum Verdampfen von Fluid (7), (f) mindestens ein zweiter Teil des Rohrleitungssystems (1) als wärmeabgebender Abschnitt (C; 22) ausgebildet ist zum Kondensieren von Fluid (7), (g) das Rohrleitungssystem (1) zu weniger als 95 mit Fluid (7) gefüllt ist, wenn es in der flüssigen Phase ist, und (h) die Zirkulationsmittel die Zirkulation des Fluids (7) vom wärmeaufnehmenden Abschnitt (H; 11) zum wärmeabgebenden Abschnitt (C; 22) und zurück zum wärmeaufnehmenden Abschnitt (H; 11) des Rohrleitungssystems (1) in der vorbestimmten Richtung durch den bei der Verdampfung von Fluid (7) im wärmeaufnehmenden Abschnitt (H; 11) erzeugten Dampfdruck und den bei der Kondensation von Fluid im wärmeabgebenden Abschnitt (C; 22) verminderten Druck bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Innendurchmesser des Rohrleitungssystem (1) derart ist, dass die Zirkulation des Fluids (7) im Rohrleitungssystem (1) unabhängig von dessen Befüllungsgrad aufrechterhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Rohrleitungssystem (1) eine derartigen Befüllungsgrad aufweist, dass die Zirkulation des Fluids (7) im Rohrleitungssystem (1) unabhängig von dessen Querschnitt aufrechterhalten wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Rohrleitungssystem (1) zumindest abschnittsweise aus elektrisch isolierendem Material besteht und das Fluid (7) elektrisch isolierend ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Fluid (7) Wasser enthält.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Fluid (7) Freon enthält.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher dem Fluid (7) im Rohrleitungssystem (1) ein im Temperaturbereich zwischen der unteren und oberen Arbeitstemperatur der Wärmeübertragungsvorrichtung nicht kondensierbares Gas (32) zumischbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher an das Rohrleitungssystem (1) ein Gasvorratstank (31) für das zumischbare Gas (32) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher eine Steuereinrichtung (33) vorgesehen ist zur Steuerung der Temperatur des aus dem Gasvorratstank (31) zumischbaren Gases (32).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Rohrleitungssystem (1) zwischen einem wärmeaufnehmenden Abschnitt (H; 11) und einem in Strömungsrichtung benachbarten wärmeabgebenden Abschnitt (C; 22) einen wärmeisolierenden Zwischenabschnitt (4) aufweist, der eine Wärmetransportstrecke bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Rohrleitungssystem (1) mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11), mehrere wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) und mehrere Zwischenabschnitte (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11) und mehrere wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) in alternierender Folge angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11) und mehrere wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) in ungleicher Anzahl vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welcher mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11) und/oder mehrere wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) jeweils gemeinsam einer wärmeabgebenden Einrichtung (5; 34-1, 34-2) bzw. gemeinsam einer wärmeaufnehmenden Einrichtung (6) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welcher mehrere wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11) und mehrere wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) jeweils einer von mehreren abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnten wärmeabgebenden Einrichtungen (5) und wärmeaufnehmenden Einrichtungen (6) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das mindestens eine Rückschlagventil (2) in einem wärmeisolierenden Abschnitt (4) des Rohrleitungssystems (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das mindestens eine Rückschlagventil (2) einen durch ein Rohr (2a) gebildeten Ventilsitz, einen Ventilkörper (2b) und einen Anschlag (2c) für den Ventilkörper in dessen Offenstellung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Rohrleitungssystem (1) mehrere Rückschlagventile (2) in etwa gleichmäßigen Abständen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher mehrere in sich jeweils geschlossene Rohrleitungssysteme (1) vorgesehen sind, wobei wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11), wärmeabgebende Abschnitte ((C; 22) und Zwischenabschnitte (4) separater Rohrleitungssysteme (1) jeweils benachbart zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11), wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) und/oder Zwischenabschnitte (4) jeweils gebündelt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11), wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) und/oder Zwischenabschnitte (4) biegsam gestaltet sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 20 und 21, bei welcher gebündelte Abschnitte eines Rohrleitungssystems (1) bzw. von Rohrleitungssystemen gegeneinander federnd ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei welcher die gebündelten wärmeaufnehmenden Abschnitte (H; 11), wärmeabgebenden Abschnitte (C; 22) und Zwischenabschnitte (4) jeweils in einem umgebenden Behälter angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei welcher gebündelte wärmeaufnehmende Abschnitte (H; 11), wärmeabgebende Abschnitte (C; 22) und Zwischenabschnitte (4) thermisch miteinander in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei welcher zwischen gebündelten wärmeaufnehmenden Abschnitten (H; 11), wärmeabgebenden Abschnitte (C; 22) und Zwischenabschnitten (4) jeweils ein Füllstoff angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Rohrleitungssystem (1) Paare von jeweils gegensinnig durchströmten Abschnitten (1-1, 1-2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, bei welcher gegensinnig durchströmte Abschnitte (1-1, 1-2) des Rohrleitungssystems (1) zumindest streckenweise benachbart zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei welcher im Strömungsweg zwischen gegensinnig durchströmten Abschnitten (1-1, 1-2) des Rohrleitungssystems (1) ein Umlenkabschnitt (t-1, t-2, t-5, t-6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei welcher mehrere gleichsinnig durchströmte Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) an einen gemeinsamen Umlenkabschnitt (t-1, t-2, t-5, t-6) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) in einem äußeren Rohr (t) angeordnet sind und Kappen des äußeren Rohres (t) Umlenkabschnitte (t-1, t-2, t-5, t-6) im Strömungsweg des Fluids zwischen Abschnitten des Rohrleitungssystems (1) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) mäanderförmig angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) gemeinsam eine plattenförmige Gestalt bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) spulenförmig angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) schraubenförmig angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) miteinander verdrillt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher an wärmeaufnehmenden Abschnitten des Rohrleitungssystems (1) elektrische oder optische Leiter angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher wärmeaufnehmende Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) elektrische oder optische Leiter umgeben.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher wärmeaufnehmende Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) elektrische oder optische Leiter umgeben und wärmeabgebende Abschnitte des Rohrleitungssystems von den elektrischen bzw. optischen Leitern radial abstehen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) elektrische oder optische Hohlleiter bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher Abschnitte des Rohrleitungssystems (1) mit elektrisch isolierendem Material beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher ein wärmeisolierender Zwischenabschnitt (4) des Rohrleitungssystems (1) durch ein Keramikrohr (61) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher ein wärmeaufnehmender Abschnitt (H; 11) und/oder ein wärmeabgebender Abschnitt (C; 22) ein größeres Volumen aufweist als andere Abschnitte des Rohrleitungssystems (1).
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher in einem wärmeabgebenden Abschnitt (C; 22) des Rohrleitungssystems die Strömungsrichtung des Fluids (7) überwiegend vertikal ist.