DE3909105A1 - Heat pipe - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Thermosyphon, bzw. ein Wärmerohr mit einer speziellen internen Arbeitsflüssigkeit, wie sie z. B. zum Transportieren von Wärme- bzw. Kälteenergie und zum isostatischen Temperieren Verwendung finden.The invention relates to a thermosiphon or a heat pipe a special internal working fluid, such as z. B. to Transport of heating or cooling energy and to the isostatic Use tempering.
Bekanntlich ist ein Thermosyphon ein geschlossenes Behältnis, in der Regel in Form eines Rohres, welches mit einer geringen Menge einer Arbeitsflüssigkeit befüllt und anschließend unter Einstellung eines bestimmten Innendrucks gasdicht verschlossen ist. Wird nun dieses Behältnis im wesentlichen vertikal aufgestellt und an seinem unteren Ende erwärmt, so beginnt die dort angesammelte Arbeitsflüssigkeit sich zu erwärmen und zu verdampfen. Der Dampf breitet sich im Innern des Behältnisses gleichmäßig aus. Beim Auftreffen des Dampfes auf kühlere Zonen der Behälterwand kondensiert er dort, wobei das Kondensat Tröpfchen bildet und aufgrund der Schwerkraft an der Behälterwand nach unten rinnt, um den Flüssigkeitsvorrat im Sumpf des Behältnisses wieder zu ergänzen. Beim Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit wird der warmen Zone des Behältnisses Wärme entzogen. Diese latente Energie wird mit dem Dampf transportiert und im Wege der Kondensation an die kältere Zone des Behältnisses wieder abgegeben. Es findet somit innerhalb des Thermosyphons sowohl ein Material- als auch Energietransport statt, welcher auf phänomenale Weise ohne irgendwelche beweglichen oder sich abnutzenden Komponenten lediglich durch Zufuhr von Wärme in Gang gesetzt wird, und dazu noch völlig geräuschlos abläuft. Beim Thermosyphon kann dieser Vorgang aufgrund der Schwerkraftabhängigkeit nur in einer Kreisrichtung ablaufen, weshalb er auch als thermische Diode bezeichnet wird.As is well known, a thermosiphon is a closed container, in usually in the form of a tube with a small amount filled with a working fluid and then under setting of a certain internal pressure is sealed gas-tight. Now this container is set up essentially vertically and warmed at its lower end, the accumulated there begins Working fluid to warm up and evaporate. The Steam spreads evenly inside the container. When the steam hits cooler zones of the container wall it condenses there, the condensate forming droplets and runs down the container wall due to gravity, to the liquid supply in the sump of the container again complete. When the working fluid evaporates, it becomes warm Zone of the container deprived of heat. This latent energy will transported by steam and condensed to the colder zone of the container released again. So it takes place both a material and energy transport within the thermosiphon instead, which is phenomenal without any moving or wearing components only is started by supplying heat, and completely runs silently. With thermosiphon this process can be due to the gravity dependency is only in a circular direction, which is why it is also called a thermal diode.
Das sogenannte Wärmerohr (engl. "Heatpipe") ist dem Thermosyphon ähnlich. Es besitzt zusätzlich in seinem Innern eine Kapillarstruktur, welche dem Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit dient. Ein Sumpf mit einem Vorrat an Arbeitsflüssigkeit ist normalerweise nicht vorhanden, das heißt, daß die Menge an Arbeitsflüssigkeit ungefähr so bemessen ist, daß sie im Arbeitszustand vollständig von der Kapillarstruktur aufgesaugt ist. Für den Transport der Arbeitsflüssigkeit im flüssigen Zustand sind hier die Kapillarkräfte verantwortlich, so daß ein Wärmerohr auch über Kopf bzw. unter Schwerelosigkeit in der Raumfahrt eingesetzt werden kann. The so-called heat pipe is the thermosiphon similar. It also has a capillary structure inside, which serves to absorb the working fluid. A Swamp with a supply of working fluid is normal not present, that is, the amount of working fluid is approximately such that it is complete in the working state is sucked up by the capillary structure. For the transport of the Working liquid in the liquid state are the capillary forces responsible, so that a heat pipe is also overhead or can be used in zero gravity in space travel.
Bei einer vertikalen Anordnung des Wärmerohres kann der Rücklauf des Kondensats durch Schwerkraft unterstützt werden, wenn sich die Verdampfungszone unten und die Kondensationszone oben befindet.With a vertical arrangement of the heat pipe, the return can of the condensate are supported by gravity if the evaporation zone is at the bottom and the condensation zone is at the top.
Sonderformen von Wärmerohren besitzen gesonderte Leitungen, sogenannte Arterien, zur Rückführung des Kondensats. Diese können das Wärmetransportvermögen eines Wärmerohres dadurch verbessern, daß der Tröpfchenmitriß von Kondensat durch den Dampfstrom unterbunden wird.Special forms of heat pipes have separate lines, so-called Arteries, for returning the condensate. They can do that Improve heat transport capacity of a heat pipe in that the droplet entrainment of condensate is prevented by the steam flow becomes.
Als Arbeitsflüssigkeit von Thermosyphonen und Wärmerohren werden Substanzen benötigt, deren Verdampfungsenthalpie hohe Werte erreicht. Gleichzeitig müssen diese Substanzen gute Benetzungseigenschaften aufweisen, müssen im Arbeitstemperaturbereich thermisch stabil sein, dürfen die Konstruktionswerkstoffe nicht angreifen und sollten physiologisch unbedenklich sein. Für eine Reihe von Anwendungen spielt auch ein akzeptabler Preis eine wichtige Rolle.As working fluid of thermosyphons and heat pipes Substances are required whose enthalpy of vaporization reaches high values. At the same time, these substances have good wetting properties have to be thermal in the working temperature range be stable, the construction materials must not attack and should be physiologically safe. For one A number of applications also play an acceptable price important role.
Bisher sind als Arbeitsflüssigkeiten entsprechend dem Arbeitstemperaturbereich eine ganze Anzahl von Substanzen zur Verwendung gekommen. Dabei handelt es sich sowohl um organische und anorganische Substanzen, als auch um Metalle. Im Temperaturbereich zwischen etwa 30 und 200°C nimmt Wasser als Arbeitsflüssigkeit einen dominierenden Platz ein. Keine andere bekannte Substanz erreicht im Hinblick auf das Wärmetransportvermögen ähnlich hohe Werte. Auch sie Summe seiner sonstigen positiven Eigenschaften macht Wasser zu einem unschlagbaren Kandidaten. Der geringe Dampfdruck des Wassers bei niedrigen Temperaturen erfordert allerdings sehr kleine Innendrücke innerhalb des Systems und führt wegen der niedrigen Verdampfungsrate zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Dampfes. Daraus ergibt sich unterhalb von ungefähr 80°C ein stärkeres Abfallen des Wärmetransportvermögens. Bei sehr niedrigen Arbeitstemperaturen im Bereich ab 0 bis etwa 30°C scheidet daher die Verwendung von Wasser als Arbeitsflüssigkeit aus.So far, working fluids are according to the working temperature range quite a number of substances for use came. These are both organic and inorganic Substances, as well as metals. In the temperature range between around 30 and 200 ° C water is a working fluid dominant place. No other known substance reached similarly high in terms of heat transport capacity Values. They also sum up its other positive qualities makes water an unbeatable candidate. The little one Vapor pressure of water at low temperatures, however, requires very small internal pressures within the system and leads too high flow rates due to the low evaporation rate of steam. This results in approximately below 80 ° C a greater decrease in the heat transport capacity. At very low working temperatures in the range from 0 to about 30 ° C Therefore, the use of water as the working fluid is eliminated out.
Im beschriebenen Niedertemperaturbereich wurde als Arbeitsflüssigkeit bisher hauptsächlich Ammoniak verwendet. Gegenüber Wasser ist das Wärmetransportvermögen von Ammoniak als Arbeitsflüssigkeit jedoch deutlich reduziert. Wegen der physiologischen Bedenklichkeit gibt es ferner Bestrebungen, Ammoniak durch eine gesundheitlich harmlosere Arbeitsflüssigkeit zu ersetzen.In the low temperature range described was used as working fluid previously mainly used ammonia. Towards water is the heat transport capacity of ammonia as a working fluid however significantly reduced. Because of the physiological concern There are also efforts to reduce ammonia health replace harmless working fluid.
Als Arbeitsflüssigkeiten werden im Niedertemperaturbereich zur Zeit auch Methanol und Ethanol eingesetzt. Verglichen mit Ammoniak ist das Wärmetransportvermögen dieser Alkohole nochmals vermindert.As working fluids in the low temperature range Time methanol and ethanol were also used. Compared to ammonia the heat transport capacity of these alcohols is reduced again.
Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines Thermosyphons und eines Wärmerohres mit Arbeitsflüssigkeiten, welche entweder die Einsatzbandbreite bekannter Arbeitsflüssigkeiten erweitern, oder bei vorgegebenen Arbeitstemperaturen und Innendrücken deren Wärmetransportvermögen erhöhen sollten. There was therefore the task of creating a thermosiphon and a heat pipe with working fluids, which either expand the range of applications for known working fluids, or at given working temperatures and internal pressures Should increase heat transport capacity.
Die Aufgabe wird nach der im Anspruch 1 und in den Unteransprüchen gegebenen Lehre gelöst. Danach wird der erfindungsgemäße Thermosyphon bzw. das erfindungsgemäße Wärmerohr mit einer azeotrop gemischten Arbeitsflüssigkeit versehen. Nach der Erfindung ist eine Wahlmöglichkeit zwischen den verschiedenen Formen der Azeotropie gegeben. Vorgeschlagen werden als Mischungsbestandteile organische oder anorganische Substanzen und deren Untergruppen Alkane, Alkohole, Ketone und Cycloalkane, Alkanamine, Alkandiamine bzw. Wasser, Ammoniak oder Hydrazin.The task is according to the in claim 1 and in the subclaims given teaching solved. Then the invention Thermosiphon or the heat pipe according to the invention with an azeotrope mixed working fluid. According to the invention is a choice between the different forms of Given azeotropy. Are proposed as mixture components organic or inorganic substances and their subgroups Alkanes, alcohols, ketones and cycloalkanes, alkane amines, alkane diamines or water, ammonia or hydrazine.
Azeotrope Gemische besitzen bekanntlich die Eigenschaft, beim Sieden in eine Dampfphase gleicher Zusammensetzung überzugehen, wobei der Siedepunkt des Gemisches gegenüber den Siedepunkten der reinen Substanzen bei gleichem Druck verschoben wird. Positive Azeotrope zeigen eine Erniedrigung des Siedepunktes, während negative Azeotrope eine Erhöhung des Siedepunktes aufweisen. Man kann diese Eigenschaft auch als eine Erhöhung oder Erniedrigung des Dampfdrucks bei gegebener Temperatur interpretieren.Azeotropic mixtures are known to have the property of Boiling into a vapor phase of the same composition, the boiling point of the mixture compared to the boiling points of the pure substances is shifted at the same pressure. Positives Azeotropes show a lower boiling point, while negative ones Azeotropes have an increase in boiling point. Man this property can also be seen as an increase or decrease interpret the vapor pressure at a given temperature.
Durch die Benutzung azeotroper Mischungen als Arbeitsflüssigkeiten in Thermosyphonen und Wärmerohren ist durch die Erfindung somit die Möglichkeit eröffnet, die Einsatzbandbreite der bekannten Arbeitsflüssigkeiten zu erweitern. Sind die azeotropen Mischungen z. B. mit Wasser zusammengesetzt, so kann dessen Siedepunkt z. B. durch Zugabe eines bestimmten Gewichtsanteils von Hydrazin auf die neue Siedetemperatur von 120°C bei Normaldruck gebracht werden. In gleicher Weise läßt sich z. B. ein auf 87°C erniedrigter neuer Siedepunkt erzielen, wenn dem Wasser ein bestimmter Anteil an Propyl-Alkohol (1-Propanol) zugefügt wird. Erfindungsgemäß kommen derartige azeotrope Arbeitsflüssigkeiten auch als tertiäre, quartäre, quintäre oder höherwertige Mischungen zur Verwendung.By using azeotropic mixtures as working fluids in thermosyphones and heat pipes is thus by the invention opens up the possibility of using the known range Expand working fluids. Are the azeotropic mixtures e.g. B. composed with water, its boiling point can, for. B. by adding a certain proportion by weight of hydrazine the new boiling temperature of 120 ° C can be brought to normal pressure. In the same way, for. B. a reduced to 87 ° C. achieve a new boiling point if the water contains a certain percentage of propyl alcohol (1-propanol) is added. According to the invention such azeotropic working fluids also come as tertiary, quaternary, quaternary or higher quality mixtures for use.
Bei Heranziehung von Wasser als Mischungsbestandteil azeotroper Arbeitsflüssigkeiten sind vor allem solche Mischungen bevorzugt, die einen relativ hohen Anteil an Wasser haben. Dadurch geht die ausgesprochen hohe Verdampfungsenthalpie des Wassers in starkem Maße auf die Verdampfungsenthalpie der azeotropen Mischung ein, so daß trotz einer z. B. reduzierten Siedetemperatur eine noch recht hohe Verdampfungsenthalpie der azeotropen Mischung bestehen bleibt.When using water as a mixture component azeotropic Working fluids are particularly preferred such mixtures, that have a relatively high proportion of water. This makes the extremely high evaporation enthalpy of water in strong Measures the evaporation enthalpy of the azeotropic mixture, so that despite a z. B. reduced boiling temperature still the enthalpy of vaporization of the azeotropic mixture is quite high remains.
Mit der Verwendung azeotroper Mischungen als Arbeitsflüssigkeiten in Thermosyphonen und Wärmerohren sind vor allem gegenüber der Verwendung von reinem Wasser weitere Vorteile dadurch gegeben, daß je nach Art und Menge der Beimischung der Gefrierpunkt der Arbeitsflüssigkeit herabsetzbar ist, wodurch gleichzeitig ein gewisser Frostschutz erreichbar ist, und sich zusätzlich bessere Benetzungseigenschaften durch Herabsetzung der Oberflächenspannung ergeben.With the use of azeotropic mixtures as working fluids in thermosyphons and heat pipes are mainly compared to the Use of pure water gives further advantages that depending on the type and amount of admixture, the freezing point of the Working fluid is degradable, which makes a certain Frost protection is achievable, and in addition better ones Wetting properties by reducing the surface tension surrender.
Zur Verdeutlichung der mit der Erfindung gegebenen Möglichkeiten werden in den Tabellen 1 bis 4 azeotrope Mischungen anhand von Beispielen zwischen Wasser und verschiedenen Beimengungen in ihren jeweiligen Gewichtsanteilen und den sich neu ergebenden Siedetemperaturen aufgelistet. Tabelle 1 zeigt diese Werte für Beimengungen von verschiedenen Alkanen, Tabelle entsprechend für 1-Alkanole, während in Tabelle 3 ternäre Mischungen zwischen Wasser, 1-Butanol und verschiedenen Alkanen zusammengestellt sind. Zusätzlich werden in Tabelle 4 verschiedene Beispiele anderer Mischungen gezeigt. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt. Wegen der großen Zahl azeotroper Mischungsmöglichkeiten würde eine vollständige Auflistung den Rahmen dieser Patentanmeldung sprengen.To clarify the possibilities given by the invention are shown in Tables 1 to 4 azeotropic mixtures based on Examples between water and various admixtures in their respective proportions by weight and the new boiling temperatures listed. Table 1 shows these values for additives of various alkanes, table for 1-alkanols, while in Table 3 ternary mixtures between water, 1-butanol and various alkanes are compiled. In addition, Table 4 shows various examples of other mixtures shown. The invention is not based on the examples shown limited. Because of the large number of azeotropic mixing possibilities would be a complete listing within the scope of this Blast patent application.
Mit der Erfindung werden somit ein Thermosyphon und ein Wärmerohr mit Arbeitsflüssigkeiten zur Verfügung gestellt, welche gegenüber reinen Substanzen entweder in einem erweiterten Arbeitstemperaturbereich eingesetzt werden können, oder ein höheres Wärmetransportvermögen besitzen. Durch die Erfindung werden ferner die Möglichkeiten eröffnet, gleichzeitig bessere Benetzungseigenschaften zu realisieren und in bestimmten Fällen einen Gefrierschutz zu verwirklichen. With the invention thus a thermosiphon and a heat pipe provided with working fluids, which are opposite pure substances either in an extended working temperature range can be used, or a higher heat transfer capacity have. The invention further opens up the possibilities, at the same time better wetting properties to realize and in certain cases an anti-freeze to realize.
Claims (15)
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DE19893909105 DE3909105A1 (en) | 1989-03-20 | 1989-03-20 | Heat pipe |
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DE3909105A1 true DE3909105A1 (en) | 1990-09-27 |
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ID=6376768
Family Applications (1)
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