DE3929024A1

DE3929024A1 - Heatpipe

Info

Publication number: DE3929024A1
Application number: DE3929024A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Dr Lindner
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1991-03-14
Also published as: EP0415231A2; DE3929024C2; US5046553A; JPH03170795A; EP0415231A3; CA2024160A1; CA2024160C

Description

Die Erfindung betrifft eine Heatpipe mit einem ein wärme transportierendes Medium beinhaltenden Gehäuse, welches einen Verdampfungsbereich und einen Kondensationsbereich aufweist.

Derartige Heatpipes sind bekannt.

Bei diesen Heatpipes besteht das Problem, daß zur Erzie lung höchster Übertragungsleistungen, insbesondere bei kleinen Querschnitten, der Dampfstrom und der diesem ent gegengesetzt gerichtete Kondensatstrom nur mit Schwierig keiten entkoppelt werden können, somit stets der Konden satstrom durch den entgegengesetzten Dampfstrom mitgeris sen oder behindert wird und folglich die Heatpipe hin sichtlich ihrer Übertragungsleistung nicht optimal ar beitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Heat pipe der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß dieses Problem nicht mehr auftritt.

Diese Aufgabe wird bei einer Heatpipe der eingangs be schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse ein Dampfkanal vorgesehen ist, daß zwischen dem Dampfkanal und dem Kondensationsbereich eine nichtbenetz bare poröse Struktur angeordnet ist, welche aufgrund ihrer Porengröße für das Kondensat undurchlässig ist, und daß ein das Kondensat vom Kondensationsbereich zum Ver dampfungsbereich führender Kondensatkanal vorgesehen ist.

Nichtbenetzbarkeit bedeutet dabei, daß die Oberflächen spannung des wärmetransportierenden Mediums größer ist als die kritische Oberflächenspannung der porösen Struktur.

Durch die vorliegende Erfindung ist es hiermit erstmalig gelungen, in einer Heatpipe den Dampfstrom vom Kondensat strom vollständig zu trennen, da die nichtbenetzbare poröse Struktur verhindert, daß das Kondensat im Kondensa tionsbereich in den Dampfkanal gelangen kann. Das Konden sat ist vielmehr gezwungen, in dem Kondensatkanal zum Ver dampfungsbereich zu strömen, in welchem es wiederum ver dampft wird.

Durch die ständige Kondensatbildung im Kondensations bereich wird außerdem der Druck im Kondensat erhöht und somit dieses aufgrund des ansteigenden Drucks durch den Kondensatkanal zum Verdampfungsbereich gedrückt, so daß insbesondere auch ein "Trockenlaufen" von unter Schwer krafteinfluß arbeitenden Heatpipes nicht mehr vorkommen kann, solange dieser Druck den Kapillardruck der nichtbe netzbaren Struktur nicht übersteigt.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heatpipe ist vorgesehen, daß der Konden satkanal als vom kondensierten Medium benetzbare Kapillar struktur ausgebildet ist. Durch diese Ausbildung des Kon densatkanals werden zusätzlich zu der aufgrund der erfin dungsgemäßen Lösung entstehenden Drucksteigerung im im Kondensationsbereich stehenden Kondensat noch Kapillar kräfte eingesetzt, um den Transport des Kondensats zum Verdampfungsbereich zu verbessern.

Eine besonders gute Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Heatpipe läßt sich dadurch erreichen, daß sich die Kapil larstruktur bis in den Kondensationsbereich hinein er streckt.

Darüber hinaus hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Kapillarstruktur durch die nichtbenetzbare Struktur, gebildet ist, die hierfür mit benetzbaren Materialien oberflächenbeschichtet ist. Somit läßt sich in einfacher Weise durch Herstellung einer einzigen Trägerstruktur aus dieser die gewünschte Kapillarstruktur und die nichtbe netzbare poröse Struktur ausbilden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Ver dampfungsbereich und dem Dampfkanal eine nichtbenetzbare poröse Struktur vorgesehen ist, welche aufgrund ihrer Porengröße für das kondensierte Medium undurchlässig ist.

Die einfachste Lösung sieht hierbei vor, daß die nichtbe netzbare poröse Struktur das gesamte Gehäuse innen aus kleidet.

Als konstruktiv vorteilhaft hat sich eine Lösung erwiesen, bei welcher die nichtbenetzbare poröse Struktur Teil eines Gehäuseeinsatzes ist, so daß sowohl im Kondensations bereich als auch im Verdampfungsbereich eine klare Auf trennung zwischen Kondensatstrom und Dampfstrom erfolgt.

Zweckmäßigerweise erstreckt sich bei der erfindungsgemäßen Heatpipe die Kapillarstruktur bis in den Verdampfungs bereich.

Hierbei ist günstigerweise vorgesehen, daß der Gehäuseein satz den Dampfkanal umfaßt, beispielsweise in Form von in den Gehäuseeinsatz eingebrachten Bohrungen oder Kanälen.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Gehäuseeinsatz den Kondensatkanal umfaßt, wobei dieser beispielsweise eben falls in Form von Kanälen in den Gehäuseeinsatz einbring bar ist.

Nur vorteilhafter ist es, wenn der Gehäuseeinsatz die Kapillarstruktur mit umfaßt, d. h., daß der Gehäuseeinsatz teilweise die Kapillarstruktur bildet.

Als besonders kostengünstige Lösung hat es sich dabei er wiesen, wenn der Gehäuseeinsatz aus der nichtbenetzbaren porösen Struktur hergestellt und in einem peripheren Be reich in eine benetzbare Kapillarstruktur umgewandelt ist, beispielsweise durch ein oberflächliches Beschichten der nichtbenetzbaren porösen Struktur mit einem von dem Kon densat benetzbaren Material.

Eine konstruktiv besonders bevorzugte Lösung sieht vor, daß das Gehäuse ein Hohlzylinder ist und der Gehäuseein satz ein in diesen einsetzbares hohles Teil mit einer zylindermantelförmig angeordneten nichtbenetzbaren porösen Struktur.

Bei allen bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde nichts über die Materialstruktur der nichtbenetz baren porösen Struktur ausgesagt. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die nichtbenetzbare poröse Struktur ein Schaummaterial, ein Gewebematerial oder ein Filzmaterial ist.

Ferner wurde bei den bislang beschriebenen Ausführungsbei spielen nichts darüber ausgesagt, aus welchem Material die nichtbenetzbare poröse Struktur vorteilhafterweise herge stellt ist. So sehen beispielsweise Ausführungsbeispiele vor, die nichtbenetzbare poröse Struktur aus Graphit, als nichtbenetzbares Material für als wärmetransportierendes Medium dienende Metalle oder Alkalihalogenide, sowie aus Teflon als nichtbenetzbares Material für als wärmetrans portierendes Medium dienendes Wasser oder Ammoniak auszu bilden.

Ferner wurde im Zusammenhang mit den bislang dargestellten Ausführungsbeispielen nichts über die Porengröße der porösen Struktur ausgesagt. Die Porengröße wird dabei durch die Oberflächenspannung des Kondensats festgelegt und so gewählt, daß sie kleiner als die Porengröße ist, durch welche das Kondensat bei den vorliegenden Drucken noch hindurchtreten würde.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer in Längs richtung aufgeschnittenen Heatpipe und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer in Längs richtung aufgeschnittenen Heatpipe.

Ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes erstes Ausführungsbei spiel einer erfindungsgemäßen Heatpipe umfaßt ein Gehäuse 12, welches als zylindrisches Rohr 14, verschlossen mit endseitigen Deckeln 16 und 18 ausgebildet ist.

In dem zylindrischen Rohr 14 ist ein wärmetransportieren des Medium angeordnet, welches entweder als Kondensat oder als Dampf in dem zylindrischen Rohr vorliegt. Wird einem Wandbereich 20 des zylindrischen Rohrs 14 ein Wärmestrom 22 zugeführt, so bildet sich im zylindrischen Rohr 14 ein Verdampfungsbereich 24, in welchem das mit dem Wandbereich 20 in Kontakt kommende Kondensat 26 verdampft und als Dampfstrom 28 zu einem Kondensationsbereich 30 im Rohr 14 strömt, in welchem es bei Kontakt mit einem Wandbereich 32 des zylindrischen Rohrs kondensiert und von dort als Kon densatstrom 34 wieder zum Verdampfungsbereich 24 wandert. Vom Wandbereich 32 kann somit ein Wärmestrom 36 abgeführt werden.

Zur Trennung des Dampfstroms 28 vom Kondensatstrom 34 in dem zylindrischen Rohr ist innerhalb desselben ein Ge häuseeinsatz 38 vorgesehen, welcher ebenfalls als zylin drisches Rohr ausgebildet ist und sich vom einen Deckel 16 zum anderen Deckel 18 erstreckt. Dieser Gehäuseeinsatz ist im Verdampfungsbereich als nichtbenetzbare poröse Struktur 42 ausgebildet, welche aufgrund ihrer Porösität den sich im Verdampfungsbereich 24 bildenden Dampfstrom 28 von einem Zwischenraum 44, zwischen dem Gehäuseeinsatz 38 und dem Wandbereich 20, in seinen axialen Hohlkanal 46 hin durchtreten läßt, so daß der Dampfstrom 28 sich längs des axialen Hohlkanals 46 ausbreiten und in den Kondensations bereich 30 gelangen kann. Der axiale Hohlkanal 46 dient daher als Kanal für den Dampfstrom 28.

Aufgrund der Tatsache, daß die nichtbenetzbare poröse Struktur nicht durchlässig für das Kondensat 26 ist, ist sichergestellt, daß dieses im Zwischenraum 44 so lange zu verbleiben hat, bis es verdampft ist.

Im Kondensationsbereich 30 ist der Gehäuseeinsatz 38 eben falls als nichtbenetzbare poröse Struktur 50 ausgebildet, welche den Dampfstrom 28 von dem axialen Hohlkanal 46 in einen Zwischenraum 52, angeordnet zwischen dem Gehäuseein satz 38 und dem Wandbereich 32, hindurchtreten läßt, welche jedoch ein Hindurchtreten des Kondensats und somit des Kondensatstroms 34 in den axialen Hohlkanal 46 auf grund der der Oberflächenspannung des wärmetranspor tierenden Mediums angepaßten Porengröße der nichtbenetz baren porösen Struktur 50 verhindert.

Zwischen der nichtbenetzbaren porösen Struktur 42 im Ver dampfungsbereich 24 und der nichtbenetzbaren porösen Struktur 50 im Kondensationsbereich 30 kann der Gehäuse einsatz 38 beliebig ausgebildet sein. Beipielsweise ist es bei einem vereinfachten Ausführungsbeispiel möglich, den Gehäuseeinsatz 38 als geschlossene Wand 54 auszubilden, so daß durch den Zwischenraum 56 zwischen der Wand 54 und den Außenwänden 40 des zylindrischen Rohrs 14 ein Kondensat kanal entsteht.

Um jedoch den Verdampfungsbereich 24 und den Kondensa tionsbereich 30 beliebig in axialer Richtung des zylin drischen Rohrs 14 legen zu können, ist es vorteilhaft, den Gehäuseeinsatz 38 und somit auch die Wand 54 als nichtbe netzbare poröse Struktur auszubilden, welche den Dampf strom 28 des wärmetransportierenden Mediums hindurchläßt, jedoch nicht den Kondensatstrom 34.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Gehäuseeinsatzes 38 ist somit sichergestellt, daß eine vollständige Tren nung des Dampfstroms 28 vom Kondensatstrom 34 in dem ersten Ausführungsbeispiel 10 der erfindungsgemäßen Heat pipe erfolgt und somit sich der Dampfstrom 28 und der Kon densatstrom 34 nicht behindern.

Wird eine derartige Heatpipe im Schwerefeld betrieben und liegt der Kondensationsbereich 30 tiefer als der Ver dampfungsbereich 24, so entsteht durch die zunehmende Kon densatbildung im Zwischenraum 52 ein zunehmender Druck, welcher für den Kondensatstrom 34 zum Verdampfungsbereich 24 entgegengesetzt zur Richtung der Schwerkraft verant wortlich ist und somit ein "Trockenlaufen" der Heatpipe im Verdampfungsbereich verhindert, da trotz Wirkung der Schwerkraft der Kondensatstrom 34 zum Verdampfungsbereich 24 aufrecht erhalten bleibt.

Bei einem zweiten verbesserten, als Ganzes mit 60 bezeich neten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heatpipe sind mit dem ersten Ausführungsbeispiel identische Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Aus führungsbeispiel verwiesen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist zumindest der Zwischenraum 56 mit einer Kapillarstruktur 62 gefüllt, welche zu einer in axialer Richtung des zylindrischen Rohrs 14 aktiven Kapillarwirkung führt und somit den Kon densatstrom 34 von dem Zwischenraum 52 zu dem Zwischenraum 44 aufgrund der Kapillarwirkung unterstützt.

Besonders vorteilhaft ist es bei diesem zweiten Ausfüh rungsbeispiel auch, wenn zusätzlich noch der Zwischenraum 52 und der Zwischenraum 44 mit der Kapillarstruktur 62 ausgefüllt sind, so daß die Kapillarwirkung über die ge samte axiale Länge der Heatpipe 60 eintritt.

Die erfindungsgemäße Kapillarstruktur kann bei einem be vorzugten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß dadurch her gestellt werden, daß der als Rohr ausgebildete Gehäuseein satz 38 aus der nichtbenetzbaren porösen Struktur herge stellt ist und bis zu den Außenwänden 40 des zylindrischen Rohrs reicht, also keine makroskopischen Zwischenräume 44, 52 und 56 zwischen dem Gehäuseeinsatz 38 und den Außen wänden entstehen. Die benetzbare poröse Struktur wird dadurch erzeugt, daß die nichtbenetzbare Struktur ober flächlich mit einem Material beschichtet wird, welches von dem wärmetransportierenden Medium oberflächlich benetzbar ist. Durch die nunmehr vom konden sierten Medium benetzbare Oberfläche in einem den Außen wänden 40 zugewandten Teilbereich des Gehäuseeinsatzes 38 entsteht die Kapillarstruktur 62, und der bezüglich dieser radial innenliegende Teil des Gehäuseeinsatzes 38 aus der nichtbenetzbaren porösen Struktur, der oberflächlich nicht beschichtet wurde, hat nun die ursprünglich dieser Struktur zugedachte Wirkung in dem beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel.

Als nichtbenetzbare poröse Struktur können bei dem jewei ligen wärmetransportierenden Medium die in der nachfolgen den Tabelle aufgelisteten Materialien zum Einsatz kommen.

Wärmetransportierendes Medium
nichtbenetzbare poröse Struktur
Hg
Glas
Hg	Graphit (C)
H₂O	Teflon
H₂O	Graphit (C)
H₂O	Polyäthylen
NH₃	Teflon
NH₃	Polytetrafluoräthylen
NH₃	Polyäthylen
LiF	Graphit (C)
Ag	Graphit (C)
NaF	Graphit (C)
Al	Graphit (C)
H₂O	Polyvinylfluorid
NH₃	Polyvinylfluorid
H₂O	Polyäthylenterephtalat
NH₃	Polyäthylenterepthalat

Als Beschichtung zur Umwandlung der nichtbenetzbaren porösen Struktur in eine von dem kondensierten wärmetrans portierenden Medium benetzbare Kapillarstruktur ist es beispielsweise denkbar, die jeweilige Struktur oberfläch lich zu metallisieren.

Claims

1. Heatpipe mit einem ein wärmetransportierendes Medium beinhaltenden Gehäuse, welches einen Verdampfungsbe reich und einen Kondensationsbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (12) ein Dampfkanal (46) vorge sehen ist, daß zwischen dem Dampfkanal (46) und dem Kondensationsbereich (30) eine nichtbenetzbare poröse Struktur (50) angeordnet ist, welche aufgrund ihrer Porengröße für das Kondensat (34) undurchlässig ist, und daß ein das Kondensat (34) vom Kondensationsbe reich (30) zum Verdampfungsbereich (24) führender Kondensatkanal (56, 62) vorgesehen ist.

2. Heatpipe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatkanal als vom kondensierten Medium be netzbare Kapillarstruktur (62) ausgebildet ist.

3. Heatpipe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kapillarstruktur (62) in den Kondensations bereich (30) hinein erstreckt.

4. Heatpipe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß sich die Kapillarstruktur (62) in den Ver dampfungsbereich (24) hinein erstreckt.

5. Heatpipe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (62) durch die nichtbenetzbare Struktur, oberflächenbeschichtet mit benetzbaren Materialien, gebildet ist.

6. Heatpipe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ver dampfungsbereich (24) und dem Dampfkanal (46) eine nichtbenetzbare poröse Struktur (42) vorgesehen ist, welche aufgrund ihrer Porengröße für das kondensierte Medium (26) undurchlässig ist.

7. Heatpipe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtbenetzbare poröse Struktur (42, 50) Teil eines Gehäuseeinsatzes (38) ist.

8. Heatpipe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseeinsatz (38) den Dampfkanal (46) umfaßt.

9. Heatpipe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß der Gehäuseeinsatz (38) den Kondensatkanal (62) umfaßt.

10. Heatpipe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseeinsatz (38) die Kapillarstruktur (62) um faßt.

11. Heatpipe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) ein Hohlzylinder und der Gehäuseeinsatz (39) ein in diesen einsetz bares hohles Teil mit einer zylindermantelförmig an geordneten nichtbenetzbaren porösen Struktur (42, 50) ist.

12. Heatpipe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtbenetzbare poröse Struktur (42, 50) ein Schaummaterial oder ein Gewebematerial oder ein Filzmaterial ist.