DE4116044A1 - Waermeuebertragungsanordnung - Google Patents
WaermeuebertragungsanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanordnung
zum Umwälzen eines flüssigen Heizmediums mittels einer
Wärmefunktion und zum Übertragen von Wärme, umfassend
eine Kühlvorrichtung zum Kühlen verschiedener Ausrü
stungsteile sowie eine diese Kühlvorrichtung verwendende
Temperaturregelvorrichtung.
Artverwandte Anordnungen sind in 1. US-PS 48 18 845,
2. US-PS 49 59 526 und 3. US-PS 50 06 689 beschrieben.
Bei Wärmeübertragungsanordnungen mit Vorrichtungen zum
Kühlen, Heizen bzw. Erwärmen und Klimatisieren von
Geräten bzw. einer anderen Temperaturregelvorrichtung
wird als Wärmeübertragungssystem, bei dem ein Heizmedium
mittels einer Wärmefunktion zum Strömen gebracht wird,
verbreitet die Wärmeübertragung bzw. der Wärmeübergang
aufgrund natürlicher Zirkulation genutzt. Dieses System
ist jedoch tatsächlich dann nicht wirksam, wenn nicht
Wärmedichte und Übertragungsdichte gering sind.
In neuerer Zeit ist ein in Fig. 14 dargestellter Wärme
hohlleiter (heat pipe) als Wärmeübertragungsanordnung,
die mittels einer Wärmefunktion einer hohen Heizdichte
oder -intensität (heating density) arbeitet, untersucht
und entwickelt worden.
Bei dieser Anordnung ist ein Heizmedium 100 in einer
geschlossenen Rohrleitungsschleife 101 eingeschlossen.
Wenn das Heizmedium 100 in einem Wärmeabnahmeteil 102 für
das wärmeführende Heizmedium verdampft und in Gas über
geht und sodann in einen Abstrahlteil 103 strömt, wird
das Gas kondensiert und verflüssigt, um dann unter
Schwerkrafteinfluß wieder zum Abnahmeteil 102 zurückzu
kehren. Die Umwälzkraft in diesem System stützt sich
mithin auf Schwerkraft. Bei diesem System gemäß Fig. 14
ist der Abstrahlteil 103 in einem höher als der Wärmeab
nahmeteil 102 liegenden Bereich angeordnet, wobei die
Anordnung der Rohrleitung Einschränkungen unterliegt,
damit eine Strömung unter Schwerkrafteinfluß aufrechter
halten werden kann.
Da bei einem ohne Schwerkrafteinfluß arbeitenden System
die Umwälzung von einer empfindlichen (delicate) Kraft
abhängt, die auf einer "Benetzungswirkung" (einer Art
Kapillarerscheinung oder -wirkung eines mediumführenden
Materials, die auch als "Dochtwirkung" bezeichnet wird)
beruht, ist die Zirkulations- oder Umwälzkraft des
Heizmediums begrenzt. Der Wärmehohlleiter wird daher nur
in sehr begrenztem Umfang eingesetzt, wobei im allge
meinen eine Pumpe zum Umwälzen des Heizmediums nötig ist.
Eine Zwangsumwälzvorrichtung, wie eine Pumpe, besitzt
dabei aber große Abmessungen und kompliziert den Aufbau.
Aus diesem Grund besteht ein großer Bedarf nach einem
Heizmediumumwälzsystem, bei dem kein mit Bewegung arbei
tender Bauteil, wie eine Pumpe o. dgl., vorgesehen ist,
der Aufbau einfach, die Betriebszuverlässigkeit hoch und
die Herstellungskosten niedrig sind und die Einsatzbe
dingungen keinen Einschränkungen unterworfen sind.
Insbesondere sind in den letzten Jahren mit der
Miniaturisierung von elektrischen Halbleiterschaltungen
erhöhter Integrationsdichte Leistungshalbleiterelemente
und ein solche Elemente verwendendes Leistungsregelsystem
häufig bei Halbleitern oder Halbleiteranordnungen für
z. B. Inverter-Klimatisiereinheiten und dgl. eingesetzt
worden. Aus diesem Grund kann vorausgesetzt werden, daß
Halbleiterregel- oder -steuerschaltungen hoher Wärme- oder
Heizdichte (heating density) in zunehmendem Maße
eingesetzt werden.
Herkömmlicherweise wird zum Kühlen von Schaltungsele
menten und -substraten allgemein natürlicher Zug oder
Zwangszug, d. h. Gebläsekühlung, angewandt. Außerdem wird
mit erhöhter Heizdichte einer Heiz- oder Wärmequelle der
genannte Wärmehohlleiter oder eine mit Wasserkühlung
arbeitende Kühlvorrichtung verwendet. Da jedoch der
Wärmehohlleiter den obengenannten Einschränkungen unter
worfen ist und die Wasserkühlvorrichtung eine getrennte
Wasserumwälzvorrichtung, wie eine Pumpe benötigt, werden
derartige Anordnungen nur bei Geräten großer Abmessungen
eingesetzt.
Wie erwähnt, wird die Kühlvorrichtung, als Beispiel für
die Wärmeübertragungsanordnung,nur bei der Vorrichtung
mit einer geringen Wärmeübertragungsdichte in dem sich
auf natürliche Umwälzung ohne Schwerkrafteinfluß stüt
zenden Wärmehohlleiter eingesetzt. Bei dem die Schwer
kraft nutzenden Wärmehohlleiter sind andererseits die
Anordnungspositionen der Bauteile (Wärmeabnahmeteil,
Abstrahlteil und dgl.) Einschränkungen unterworfen.
Nachteilig ist dabei ferner, daß die eine Zwangsumwälz
vorrichtung, wie eine Pumpe, verwendende Anordnung
insgesamt große Abmessungen erhält.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer
Kühlvorrichtung hoher Wärmeübertragungsdichte, bei
welcher die Anordnung der einzelnen Bauteile keiner
Einschränkung unterliegt und der Aufbau einfach ist, weil
keine eine mechanische Energiequelle aufweisende Umwälz
vorrichtung, wie eine Pumpe, verwendet wird, sowie einer
diese Kühlvorrichtung verwendenden Temperaturregelvor
richtung.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patent
ansprüchen 1 bis 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Insbesondere umfaßt eine Kühlvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung eine geschlossene
Rohrleitungsschleife, in welcher eine vorbestimmte Menge
eines flüssigen Heizmediums (heating medium) einge
schlossen ist, einen Wärmeabnahmeteil, der Wärme von
einem zu kühlenden Materialteil aufnimmt und die Wärme
auf das Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitung
überträgt, einen Abstrahlteil, der dem Heizmedium in der
geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht, und ein
in die Rohrleitungsschleife eingeschaltetes Rückschlag
ventil, welches das Heizmedium nur in einer Richtung,
d. h. vom Wärmeabnahmeteil zum Abstrahlteil, strömen läßt.
Eine Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
umfaßt eine geschlossene Rohrleitungsschleife, in welcher
eine vorbestimmte Menge eines flüssigen Heizmediums
eingeschlossen ist, einen Wärmeabnahmeteil, der einem zu
kühlenden Materialteil Wärme entzieht und die Wärme auf
das Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife
überträgt, einen Abstrahlteil, der Wärme von dem Heizme
dium in der Rohrleitungsschleife abnimmt, ein erstes
Rückschlagventil, welches das Heizmedium in einer ersten
Richtung, d. h. zum Abstrahlteil, aufgrund einer Volumen
ausdehnung dann, wenn mindestens ein Teil des Heizmediums
verdampft, strömen läßt, und ein zweites Rückschlagven
til, welches das Heizmedium in der gleichen Richtung wie
die erste Richtung aufgrund einer Volumenzusammenziehung
bzw. -verkleinerung dann, wenn das im Abstrahlteil
verdampfte Heizmedium abgekühlt wird, strömen läßt.
Eine Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
umfaßt eine geschlossene Rohrleitungsschleife, in welcher
eine vorbestimmte Menge eines flüssigen Heizmediums
eingeschlossen ist, einen Wärmeabnahmeteil, der einem zu
kühlenden Materialteil Wärme entzieht und die Wärme auf
das Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife
überträgt, einen ersten Abstrahlteil, welcher dem Heiz
medium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme
entzieht, einen zweiten Abstrahlteil, welcher dem Heiz
medium durch Wärmeaustausch des im ersten Abstrahlteil
gekühlten Heizmediums mit dem im Wärmeabnahmeteil er
wärmten Heizmedium Wärme entzieht, ein erstes Rück
schlagventil, das zwischen erstem und zweitem Abstrahl
teil angeordnet ist und das Heizmedium nur in einer
Richtung, d. h. vom Wärmeabnahmeteil und vom zweiten
Abstrahlteil zum (ersten) Abstrahlteil, strömen läßt, und
ein zwischen dem zweiten Abstrahlteil und dem Abnahmeteil
angeordnetes zweites Rückschlagventil, welches das
Heizmedium in der gleichen Richtung strömen läßt wie das
erste Rückschlagventil.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wärmeübertragungsanordnung, die auf die oben beschriebene
Kühlvorrichtung angewandt ist, umfaßt die im folgenden
angegebenen Elemente.
Insbesondere umfaßt die Kühlvorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform eine geschlossene Rohrleitungsschleife,
in welcher eine vorbestimmte Menge eines flüssigen
Heizmediums eingeschlossen ist, einen Wärmeabnahmeteil,
der Wärme von einem zu kühlenden Materialteil abnimmt und
die Wärme auf das Heizmedium in der geschlossenen Rohr
leitungsschleife überträgt, einen Abstrahlteil, welcher
dem Heizmedium in der Rohrleitungsschleife Wärme ent
zieht, erste und zweite Rückschlagventile, die in der
Rohrleitungsschleife angeordnet sind und das Heizmedium
nur in einer Richtung, d. h. vom Wärmeabnahmeteil zum
Abstrahlteil, strömen lassen, und einen Druckregelteil
zum Regeln des Drucks in der Rohrleitungsschleife.
Bei der oben umrissenen ersten Ausführungsform der
Kühlvorrichtung kann die Volumenausdehnungsenergie
aufgrund einer beträchtlichen Volumenvergrößerung, wenn
das Heizmedium im Wärmeabnahmeteil verdampft, mittels des
Rückschlagventils effektiv in eine Zirkulations- oder
Umwälzkraft umgewandelt werden. Damit wird das Heizmedi
um, welches dem zu kühlenden Gerät oder Ausrüstungsteil
Wärme entzieht, zum Abstrahlteil umgewälzt, so daß der
Ausrüstungsteil (equipment) gekühlt werden kann. Da die
Volumenausdehnungsenergie vergleichsweise groß ist, kann
das Heizmedium auch gegen Schwerkrafteinfluß umgewälzt
werden. Aus diesem Grund ist die Anordnung oder Ausge
staltung der Rohrleitung keinen Einschränkungen unter
worfen, so daß eine Kühlvorrichtung, als Beispiel für die
Wärmeübertragungsanordnung, eines einfachen Aufbaus
realisiert werden kann.
Wenn zudem der Wärme- oder Heizwert (heating value) des
zu kühlenden Teils groß ist, wird die Entstehung von
Siedeblasen begünstigt, so daß eine starke Wärmeumwälz
wirkung stattfindet. Wenn der Heizwert klein ist, wird
die Entstehung von Siedeblasen gesteuert oder begrenzt,
so daß die Wärmeumwälzwirkung schwächer ist.
Es kann somit gesagt werden, daß die ein Beispiel für die
Wärmeübertragungsanordnung gemäß der Erfindung darstel
lende Kühlvorrichtung eins Temperatur-Eigenregelfunktion
besitzt. Genauer gesagt: wenn der Heizwert groß ist,
verstärkt sich die Kühlfunktion oder -wirkung automatisch
ohne jede Regelung durch einen externen Teil; wenn
dagegen der Heizwert klein ist, wird die Kühlfunktion
automatisch, ohne jede Regelung durch einen externen
Teil, abgeschwächt. Die Temperatur des zu kühlenden Teils
kann somit bis zu einem gewissen Grad auf eine konstante
Größe geregelt werden.
Zusätzlich zum technischen Vorteil der Kühlvorrichtung
gemäß der ersten Ausführungsform kann mit der Kühlvor
richtung gemäß der zweiten Ausführungsform der folgende
technische Vorteil erzielt werden:
Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform zwei Rück
schlagventile vorgesehen, von denen das eine die Vo
lumenausdehnungsenergie des Heizmediums effektiv in eine
Umwälzkraft des Heizmediums, ähnlich wie bei der ersten
Kühlvorrichtung, umwandelt. Ebenso wandelt das zweite
Rückschlagventil die Volumenverkleinerungsenergie, die
beim Abkühlen des verdampften Heizmediums im Abstrahlteil
erzeugt wird, effektiv in eine Umwälzkraft des (für das)
Heizmedium(s) um. Da hierbei die Umwälzkraft vergrößert
ist, kann der Betrieb der Anordnung stabilisiert sein, so
daß die Kühlvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform
bezüglich der Kühlfunktion gegenüber der ersten Ausfüh
rungsform weiter verbessert ist.
Mit der Kühlvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform
läßt sich gegenüber den Kühlvorrichtungen gemäß erster
und zweiter Ausführungsform der folgende weitere tech
nische Vorteil erzielen:
Insbesondere sind bei der Kühlvorrichtung gemäß der
dritten Ausführungsform die Kühlwirkung des Heizmediums
erhöht und die Volumenzusammenziehungs- oder -verklei
nerungsenergie vergrößert, so daß die Umwälzkraft ver
bessert bzw. verstärkt ist. Mit anderen Worten: beim
Wärmeaustausch des im ersten Abstrahlteil unter eine
Sättigungstemperatur abgekühlten Heizmediums mit dem
Heizmedium, mit dem einer Volumenverkleinerung zu unter
werfender Dampf vermischt ist, zieht sich der Dampf sehr
schnell zusammen, so daß die Umwälzkraft ansteigt und der
Betrieb der Anordnung stabilisiert werden kann. Die
Kühlvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist daher
bezüglich der Kühlfunktion gegenüber den Vorrichtungen
nach erster und zweiter Ausführungsform weiter verbes
sert.
Da bei der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung,
als eine Temperaturregelvorrichtung, die Kühlkraft bzw.
-leistung (cooling force) in der Kühlvorrichtung gemäß
der ersten Ausführungsform frei geregelt werden kann,
kann die Temperatur der anzuschließenden Haupteinheit
beliebig geregelt werden.
Insbesondere wird dabei der Druck in der geschlossenen
Rohrleitungsschleife beliebig geregelt, so daß die
Verdampfungstemperatur des Heizmediums (Siedepunkt) frei
geregelt werden kann. Damit kann die Temperatur der einer
Temperaturregelung zu unterziehenden Anordnung frei
geregelt werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungs
form einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung als
Beispiel einer Wärmeübertragungsanordnung,
Fig. 2 bis 4 schematische Darstellungen anderer
Ausführungsformen der Kühlvorrichtung gemäß der
Erfindung,
Fig. 5A und 5B Schnittansichten zweier
Ausführungsformen, im Schnitt längs der Linie A-A
in Fig. 4,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvor
richtung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungs
form der Kühlvorrichtung mit einer Temperaturre
gelvorrichtung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Teils der
Temperaturregelvorrichtung bei der Kühlvorrich
tung nach Fig. 7,
Fig. 9A bis 9E schematische Schnittansichten jeweils
eines Rückschlagventils zur Verwendung bei der
Wärmeübertragungsanordnung, d. h. der
erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, und der
Temperaturregelvorrichtung,
Fig. 10 und 11 schematische Darstellungen verschiedener
Strömungsarten des Heizmediums in den verschie
denen Rohrleitungen,
Fig. 12 ein Modell zur Darstellung einer kolbenartigen
Strömung (piston flow type) des Heizmediums in
der Rohrleitung bei der Erfindung,
Fig. 13 eine Darstellung des Prinzips der Ermittlung
(obtaining) der Bedingungen für die Dicke
(Durchmesser) eines waagerechten Rohrs bei der
Erfindung und
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Beispiels
einer bisherigen Kühlvorrichtung,
Fig. 14 ist eingangs bereits erläutert worden.
Fig. 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform einer
Kühlvorrichtung als ein Beispiel einer Wärmeübertra
gungsanordnung gemäß der Erfindung. Dabei sind mehrere zu
kühlende Einheiten 1, z. B. sich stark erwärmende Halb
leiterbauteile, so montiert, daß sie mit einer Kühlplatte 2
aus einem Werkstoff guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer,
in Berührung stehen. In das Innere der Kühlplatte 2 ist
ein Teil einer Heizmedium-Rohrleitung 6 eingesetzt, die
als Wärmeabnahmeteil 3 der Kühlplatte 2 wirkt. In den
weiteren (verlängerten) Abschnitt der Rohrleitung 6 ist
ein als erster Abstrahlteil dienender Radiator 8 einge
schaltet, der durch ein Gebläse 11 angeblasen wird und
dadurch Wärme vom Heizmedium an die Luft abgibt. Rück
schlagventile 4 und 7 zur Steuerung der Strömung des
Heizmediums sind in zwei Abschnitte der von der Kühl
platte 2 abgehenden (Heizmedium-)Rohrleitung 6 einge
schaltet. Die Rückschlagventile 4 und 7 lassen eine
Strömung des Heizmediums nur in Richtung der Pfeile a
bzw. b zu. Ein als zweiter Abstrahlteil dienender
Flüssigkeits-Zwischenwärmetauscher 5 ist als Koaxial-
oder Doppelrohrkonstruktion ausgebildet. Das im Wärmeab
nahmeteil 3 erwärmte Heizmedium durchströmt ein Innen
rohr 6a der Doppelrohrkonstruktion. Die gesamte Rohr
leitungsschleife aus der Heizmedium-Rohrleitung 6 und
einem Außenrohr 6b für das Innenrohr 6a sowie der externe
Abschnitt oder Bereich sind dicht abgeschlossen, und das
strömende Heizmedium 10 ist z. B. in der Rohrleitung
eingeschlossen.
Als Heizmedium können insbesondere organische Heizmedien,
wie Wasser, Methylalkohol, Ethylalkohol, verschiedene
Freon-Arten und Butan, sowie andere Arten von Heizmedien,
wie Fluorolefine, verwendet werden.
Die Menge der einzuschließenden Heizmedium-Flüssigkeit
beträgt im allgemeinen etwa 20-99% des gesamten
Schleifen-Fassungsvermögens (deposition), vorzugsweise
70-95% des gesamten Schleifen-Fassungsvermögens. In
einem Gleichgewichtszustand in der Rohrleitung befindet
sich die Flüssigkeitsmenge in einem Zustand, in welchem
Dampf und Flüssigkeit unter einem Sättigungsdruck oder
bei einer Sättigungstemperatur gleichzeitig vorliegen.
Wenn gleichzeitig mit der Inbetriebnahme der zu kühlenden
Einheit 1 eine Erwärmung auftritt, wird ein Kühlgebläse
11, das den Radiator 8 anbläst, eingeschaltet. Sodann
wird die Wärme der zu kühlenden Einheit 1 auf die Kühl
platte 2 und weiter auf das Heizmedium 10 in der betref
fenden Rohrleitung des Wärmeabnahmeteils 3 übertragen.
Mit einem Temperaturanstieg des Heizmediums 10 werden
dabei Siedeblasen erzeugt, wobei häufig oder wiederholt
eine Verdampfung(sfunktion) einsetzt. Durch die Verdamp
fung des Heizmediums 10 vergrößert sich dessen Volumen,
so daß sich das Rückschlagventil 4 öffnet und das Heiz
medium 10 in Richtung des Pfeils a strömt. Siede- bzw.
Dampfblasen bewegen sich sequentiell durch die Rohrlei
tung und gelangen in den Bereich des Flüssigkeits-
Zwischenwärmetauschers 5. Sodann gelangen die Siedeblasen
in Wärmeaustausch mit dem durch den Radiator 8 gekühlten
Heizmedium, wodurch die Siedeblasen gekühlt und konden
siert werden. Damit verkleinert sich das Volumen, und das
Rückschlagventil 4 schließt, während das andere Rück
schlagventil 7 öffnet. Infolgedessen strömt das Heizme
dium 10 in der der Richtung des Pfeils a entsprechenden
Richtung des Pfeils b in der (geschlossenen) Schleife.
Tatsächlich finden die Verdampfung im Wärmeabnahmeteil
und die Kondensation im Zwischenwärmetauscher gleich
zeitig statt. Die Verdampfung ist jedoch zu einem be
stimmten Zeitpunkt größer als die Kondensation, so daß
eine Volumenausdehnung bzw. -vergrößerung auftritt. Zum
nächsten Zeitpunkt ist dann die Kondensation größer als
die Verdampfung, so daß eine Volumenverkleinerung
(contraction) stattfindet. Das Volumen ändert sich auf
die beschriebene Weise, wobei die Rückschlagventile 4 und
7 entsprechend dieser Änderung öffnen und schließen und
das Heizmedium in Pfeilrichtung strömt.
Wie erwähnt, findet in der Heizmedium-Rohrleitung 6, die
eins geschlossene Rohrleitungsschleife bildet, eine
Einwegströmung des Heizmediums 10 statt. Das
vergleichsweise gekühlte Heizmedium 10 wird dem Außenrohr
6b des Wärmetauschers 5 zugespeist, so daß der Radiator 8
den Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen Innenrohr 6a und
Außenrohr 6b verbessert.
Wie erwähnt, besteht das der Erfindung zugrundeliegende
Prinzip darin, daß Wärmeenergie mittels des Abstrahlteils
und zweier Rückschlagventile effektiv in eine Zirkulati
ons- oder Umwälzkraft in der geschlossenen Rohrleitung
umgewandelt wird. Die Bedingungen für effektive Förderung
(driving) des Heizmediums in einer Richtung in der
geschlossenen Rohrleitungsschleife lassen sich wie folgt
erläutern:
Wenn das Heizmedium 10 im Wärmeabnahmeteil 3 Wärme
aufnimmt, steigt seine Temperatur an; wenn die Temperatur
die Sättigungstemperatur erreicht, entsteht Dampf, und
das Heizmedium geht in einen Zweiphasenzustand über. Im
Fall der sog. "Zweiphasenströmung" kann die Flüssigkeit
in die verschiedenen Zustände gemäß den Fig. 10(a) bis
10(g) und 11(a) bis 11(h) übergehen. Im Fall, daß ein
Strömungszustand, wie "Pfropfenströmung" ("plug flow"),
"Klumpenströmung" ("slag flow"), "Stopfenströmung" ("floss
flow"), einer solchen Bedingung unterworfen ist, daß er
in die sog. "Kolbenströmung" ("piston flow") gemäß Fig.
12 übergeht, wird jedoch die Strömung durch die beiden
Rückschlagventile 4 und 7 auf eine (einzige) Richtung
begrenzt, wobei die Blasen anwachsen. Demzufolge wird die
Flüssigkeit sicher zu einer Strömung in der einen Rich
tung gebracht. Im Fall einer Laminarströmung wird die
Flüssigkeit, auch wenn die Dampfmenge zunimmt, nicht
immer bewegt oder gefördert, vielmehr kann dabei nur
Dampf strömen.
Die Bedingungen für die genannte Kolbenströmung lassen
sich wie folgt analysieren:
Um im Fall eines waagerechten Rohrs die Kraft, welche
Dampf und Flüssigkeit ähnlich wie bei einer Laminarströ
mung unter der Schwerkraft im oberen und unteren Bereich
zu trennen trachtet (vgl. Fig. 11(a)), auf der Kolben
strömung mit einer kleinen Grenzfläche aufgrund der
Oberflächenspannung der Gas/Flüssigkeits-Grenzschicht
fläche zu halten, lassen sich die folgenden drei Bedin
gungen angeben:
- 1. Die Rohre oder Rohrleitungen sollten dünner sein als eine vorbestimmt Dicke.
- 2. Zu starkes Sieden ist zu vermeiden; und
- 3. die Strömungsgeschwindigkeit sollte bis zu einem gewissen Grad langsam bzw. niedrig sein.
Fig. 13 veranschaulicht eine Wechselwirkung (competitive
action) zwischen einer Kraft, die eine Laminarströmung
unter Schwerkrafteinfluß (Fig. 11(a)) herbeizuführen
sucht, und einer Kraft, welche die Strömung durch Ober
flächenspannung als Kolbenströmung aufrechtzuerhalten
trachtet, für den Fall eines waagerechten Rohrs. Das Rohr
gemäß Fig. 13 ist ein waagerechtes, kreisrundes Rohr,
wobei Fig. 13 die Gas/Flüssigkeits-Grenzschichtfläche im
Kolbenströmungszustand veranschaulicht.
Gemäß Fig. 13 läßt sich die durch Schwerkraft erzeugte
Druckdifferenz zwischen Punkten P1 und P2 nach folgender
Gleichung berechnen:
Δ P = P2-P1 = ρ gd.
Darin bedeuten: ρ = Flüssigkeitsdichte (kg/m3); g =
Gravitationsbeschleunigung (m/s2); Δ P = Differenzdruck
(Pa = N/m2); und d = Rohrdurchmesser (m).
Der Anstiegsdruck Pσ aufgrund der Oberflächenspannung
unter dem in den Blasen herrschenden Druck läßt sich
ebenfalls nach folgender Gleichung berechnen:
Pσ × π d²/4 = σπd
Pσ = 4σ/d
Pσ = 4σ/d
Darin bedeuten: σ = Oberflächenspannung (N/m) und Pσ =
Anstiegsdruck (rising pressure) aufgrund der Oberflä
chenspannung (N/cm2).
Wenn Pσ größer ist als Δ P, läßt sich, weil das Muster der
Kolbenströmung nicht als durch Schwerkraft verformt
betrachtet wird, die folgende Beziehung ableiten:
Mit anderen Worten: wenn der Durchmesser des Rohrs (der
Rohrleitung) kleiner ist als
ändert sich die
kolbenartige Blase gemäß Fig. 12 nicht unter Schwer
krafteinfluß zu einer laminaren Form nach Fig. 11(a).
Da außerdem angenommen werden kann, daß sich die
kolbenartige Blase in einem lotrechten Rohr und in einer
geneigten oder schrägen Anordnung nur schwer verformen
kann, ist die obige Gleichung (1) allgemein gültig. Wenn
zudem die Schwerkraft kleiner ist als nach Gleichung (1),
z. B. in einem Raumsatelliten, zeigt es sich, daß die
kolbenartige Blase auch in einem dickeren Rohr erhalten
bleiben kann.
Die Einheiten (m) und (kg/m3) in obiger Gleichung (1)
lassen sich auch in (mm) bzw. (g/cm3) ändern. Unter
Anwendung der festen Größe g = 10 (m/s2) ist obige
Gleichung (1) gleich der folgenden Gleichung (2):
Die Rohrleitung braucht nicht immer waagerecht angeordnet
zu sein, sondern kann auch schräg oder lotrecht angeord
net sein.
Die Oberflächenspannung ist aufgrund zahlreicher verän
derlicher Faktoren nicht stabil (gleichbleibend). Die
obigen Gleichungen (1) und (2) liefern einige beispiel
hafte Durchmesser für die Rohrleitung.
Erfindungsgemäß durchgeführte Versuche haben bestätigt,
daß die erfindungsgemäße Anordnung normalerweise inner
halb der durch die folgende Gleichung (3) angegebenen
Grenzen benutzt werden kann:
Wenn - wie erwähnt - Dampf entsteht und die Verdampfung
andauert, die Blasen sich vergrößern und das Volumen
zunimmt, öffnet das Rückschlagventil 4, während das
Rückschlagventil 7 schließt. Dadurch werden Flüssigkeit
und Blasen mit Druck beaufschlagt (are pressed), und sie
strömen in einer Richtung. Wenn Blasen in den Flüssig
keits-Zwischenwärmetauscher 5 eintreten, werden die
Blasen durch den Wärmetausch mit dem im Abstrahlteil 8
gekühlten Heizmedium 10 kondensiert, so daß sich das
Volumen zu verkleinern beginnt. Da das dem Wärmeabnahme
teil 3 vorgeschaltete Rückschlagventil 7 öffnet und das
Rückschlagventil 4 schließt, wird danach das vom Ab
strahlteil 8 zurückgeführte Heizmedium in den Wärmeab
nahmeteil 8 eingeführt. Sodann wird der Wärmeabnahmeteil
3 gekühlt, und die Verdampfung wird unterdrückt
(pressed), wodurch die Verkleinerung des Volumens weiter
begünstigt wird. Wenn die Kondensation der Blasen weiter
fortschreitet und sich das Volumen ausreichend verklei
nert, wird die Strömung des Heizmediums 10 zum Wärmeab
nahmeteil 3 beendet oder angehalten, wobei die Temperatur
des Wärmeabnahmeteils 3 wieder ansteigt und der Zyklus
der Verdampfung, Blasenvergrößerung und Volumenausdehnung
sich wiederholt. Aufgrund der Wiederholung dieses Zyklus
dauert die Pumpfunktion oder -wirkung an, wobei das
Heizmedium vom Wärmeabnahmeteil 3 zum Abstrahlteil 8 oder
von letzterem zum Wärmeabnahmeteil 3 umgewälzt wird,
wodurch die beschriebene Anordnung ihre Funktion als
Kühlsystem ausführt.
Wenn bei einer solchen Heizmedium-Umwälzfunktion der
Heiz- oder Wärmewert (heat value) der zu kühlenden
Einheit 1 ansteigt, wird die Entstehung von Siedeblasen
begünstigt, so daß die Kühlwirkung sehr wirksam ist. Wenn
der Wärmewert der zu kühlenden Einheit 1 abnimmt, wird
die Entstehung von Siedeblasen gesteuert oder begrenzt
(controlled), so daß die Kühlwirkung abnimmt.
Mit anderen Worten: es kann gesagt werden, daß die
erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eine sog. "Temperatur-
Selbstregelfunktion" aufweist. Wenn insbesondere der
Erwärmungs- bzw. Wärmewert (heating value) groß ist,
verstärkt sich die Kühlwirkung automatisch ohne jede
Steuerung von einem externen Teil her; bei einem kleinen
Wärmewert wird die Kühlwirkung dagegen, wiederum ohne
jede Steuerung von einem externen Teil her, automatisch
abgeschwächt. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vermag
somit die Temperatur der zu kühlenden Einheit 1 in einem
gewissen Ausmaß auf die vorbestimmte Größe zu regeln.
Ersichtlicherweise stellt eine solche Temperatur-Selbst-
oder Eigenregelung eine bemerkenswert vorteilhafte
Funktion dar.
In der folgenden Tabelle I sind anhand der obigen Glei
chung (1) berechnete numerische Größen für die Dicke der
Rohrleitungen im Bereich des Wärmeabnahmeteils 3 der
Heizmedium-Rohrleitung 6, um die Heizmedium-Umwälzfunk
tion wirksam zu erzielen, aufgeführt. Die angegebenen
Größen für die Dicken (Durchmesser) dieser Rohrleitungen
gelten dabei für den Fall, in welchem die Rohrleitung 6
waagerecht angeordnet ist; sie stellen zweckmäßige Größen
oder Werte für die größtmögliche Verbesserung des Um
wälzwirkungsgrads dar. Die Erfindung ist aber nicht auf
diese Angaben beschränkt.
Wie aus Tabelle I hervorgeht, beträgt die Dicke bzw. der
Durchmesser der Heizmedium-Rohrleitung 6 im Bereich des
Wärmeabnahmeteils 3 vorzugsweise 5,34 mm oder weniger für
das Heizmedium Wasser, vorzugsweise 2,0 mm oder weniger
für das Heizmedium Freon 113 bzw. vorzugsweise 3,25 mm
oder weniger für das Heizmedium Ethylalkohol.
Wie erwähnt, sind die Dicken bzw. Durchmesser dieser
Rohrleitungen Größen, mit denen die Umwälzkraft mit dem
besten Wirkungsgrad in der waagerechten Rohrleitung
erzielt wird. Auch wenn der Rohrdurchmesser einer
lotrechten oder schrägen Rohrleitung die oben angegebenen
Werte übersteigt, läßt sich eine Umwälzkraft eines guten
Wirkungsgrads erzielen. Die Erfindung ist daher nicht auf
die obigen Werte beschränkt.
Da zudem in einem schwerelosen Zustand, z. B. in einem
Raumsatelliten, eine Gravitationsbeschleunigung von g = 0
vorliegt, läßt sich anhand von Gleichung (1) d < ∞ be
stimmen oder berechnen, so daß die Dicke der Rohrleitung
nicht festgelegt ist. Auch wenn der Rohrleitungsdurch
messer im schwerelosen Zustand groß ist, können
ersichtlicherweise die kolbenartigen Blasen ohne weiteres
aufrechterhalten werden.
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen eine zweite Ausfüh
rungsform der Kühlvorrichtung als Beispiel für die
erfindungsgemäße Wärmeübertragungsanordnung.
Bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 sind der als
erster Abstrahlteil dienende Radiator 8 und der als
zweiter Abstrahlteil dienende Flüssigkeits-Zwischen
wärmetauscher 5 voneinander getrennt, mit dazwischen
angeordnetem Rückschlagventil 7. Bei der Anordnung nach
Fig. 2 sind der Radiator 8 und der Zwischenwärmetauscher
5 zu einem Abstrahlteil 12 zusammengefaßt.
Fig. 3 veranschaulicht eine Ausgestaltung, bei welcher
der Flüssigkeits-Zwischenwärmetauscher 5 und das Kühlge
bläse 11 weggelassen sind und das Heizmedium 10 lediglich
durch den Abstrahlteil 12, z. N. mittels Abstrahlrippen,
gekühlt wird. Dabei kann der Abstrahlteil 12 für Anbrin
gung an einer äußeren Stelle, die für Abstrahlung geeig
net ist, ausgelegt sein.
Bei den beiden beschriebenen Ausführungsformen ist das
Rückschlagventil 7 im Zuge oder Bereich des Abstrahlteils
12 angeordnet, weil das Rückschlagventil 7 dabei an einer
geeigneten Stelle montiert sein kann, um eine Umwälzkraft
des Heizmediums 10 aufgrund seiner Ausdehnung und Zusam
menziehung zu erzielen.
Wie erwähnt, umfaßt die einfachste Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung den Wärmeabnahmeteil 3,
den Abstrahlteil 12, das in letzteren einbezogene erste
Rückschlagventil 4 und das dem Wärmeabnahmeteil 3 in
Strömungsrichtung vorgeschaltete zweite Rückschlag
ventil 7.
Die zu kühlende Einheit ist nicht immer an der Kühlplatte
2 angebracht. Falls keine Kühlplatte 2 vorgesehen ist,
ist die Heizmedium-Rohrleitung 6 unmittelbar an der
Rohrwandung oder der zu kühlenden Einheit angebracht.
Fig. 4 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform einer
Kühlvorrichtung als Beispiel für die erfindungsgemäße
Wärmeübertragungsanordnung.
Bei dieser Ausführungsform ist die dicht am Wärmeabnah
meteil 3 angeordnete Heizmedium-Rohrleitung 6 in zwei
(oder mehrere) Heizmedium-Rohrleitungen 6c, 6d und 6e als
Parallelleitung verzweigt, um sicher eine ausreichende
Strömungsmenge im Bereich des Wärmeabnahmeteils 3 zu
gewährleisten.
Wenn sich die Heiz- oder Wärmedichte der zu kühlenden
Einheit (Heizelement) entsprechend der Montage von Heiz
elementen (d. h. Halbleiterelementen) mit hoher Dichte
sehr stark erhöht, wird die Dicke bzw. der Durchmesser
der dicht am Wärmeabnahmeteil 3 befindlichen Heizmedi
um-Rohrleitung 6 entsprechend Gleichung (3) begrenzt, um
eine Heizmedium-Umwälzkraft eines guten Wirkungsgrads zu
erreichen; dabei kann die Kühlleistung mit nur einer
Rohrleitung möglicherweise nicht genügend vergrößert
werden. Mit der beschriebenen Ausführungsform soll nun
dieses Problem gelöst werden. Insbesondere ist dabei die
dicht am Wärmeabnahmeteil 3 befindliche Heizmedium-Rohr
leitung 6 in mehrere parallele Rohrleitungen verzweigt.
Da die Durchmesser dieser Rohrleitungen 6, die nicht in
der Nähe des Wärmeabnahmeteils 3 liegen, nicht begrenzt
sind, können diese Rohrleitungen so ausgebildet sein, daß
sie in die dickeren Abschnitte der Rohrleitungen 6
übergehen.
Gemäß Fig. 4 ist ein "Mehrrohr-Wärmekontaktsystem", das
vom oben beschriebenen "Doppelrohrsystem" als
Flüssigkeits-Zwischenwärmetauscher 5 verschieden ist,
vorgesehen. Fig. 5A veranschaulicht den Wärmetauscher 5
im Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 4. Gemäß Fig. 5A
sind die vom Wärmeabnahmeteil 3 Wärme aufnehmenden
Heizmedium-Rohrleitungen 6c, 6d und 6e beispielsweise
durch Anlöten zur Begünstigung einer zufriedenstellenden
Wärmeübertragung in Berührung mit der Heizmedium-Rohr
leitung 6, die vom gekühlten Heizmedium 10 durchströmt
wird, angeordnet. Hierdurch wird eine gute Wärmeaus
tauschwirkung erzielt.
Gemäß Fig. 5B sind die Heizmedium-Rohrleitung 6 sowie die
Rohrleitungen 6c, 6d und 6e jeweils durch Anlöten jeweils
in Kontakt mit dem Wärmetauscher 5 als gut wärmeleitfä
higes Element angeordnet, wobei der Wärmeaustausch über
eine Wärmeaustauschplatte 5a stattfinden kann.
Wenn weiterhin bei der Anordnung gemäß Fig. 4, bei
welcher die Heizmedium-Rohrleitung 6 in mehrere parallele
Rohre verzweigt ist, diese Rohre vor und hinter dem
Wärmetauscher 5 ineinander übergehen bzw. zusammenge
schaltet sind, kann ein Wärmetauscher mit dem erwähnten
Doppelrohrsystem angewandt werden.
Darüber hinaus kann mit den mehreren parallelen Rohren
durch zweckmäßige Einstellung der Verzweigungsabschnitte
eine ausreichende Strömungsmenge erzielt werden. Zudem
ist diese Rohrleitungsanordnung günstig geformt.
Fig. 6 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform der
Kühlvorrichtung als Beispiel für die Wärmeübertragungs
anordnung gemäß der Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Volumenänderungs-
Ausgleichvorrichtung 20 zum Stabilisieren der Strömung
des Heizmediums vorgesehen. In dieser Ausgleichvorrich
tung 20 ist ein nichtkondensierbares Gas, das in einem
Normalzustand nicht kondensiert (nicht auf gasförmigen
Stickstoff beschränkt), in einem durch eine Gummi
membran 21 abgetrennten oberen Raum eingeschlossen. Der
untere Raum ist mit der Heizmedium-Rohrleitung 6
verbunden und mit dem Heizmedium 10 gefüllt.
Bei der Kühlvorrichtung mit dieser Ausgleichvorrichtung
20 wird der Betrieb wie folgt stabilisiert:
Wenn das Heizmedium 10 Wärme vom Wärmeabnahmeteil 3
aufnimmt und Siedeblasen entstehen, steigt dabei insbe
sondere der Druck in der geschlossenen Rohrleitungs
schleife (Heizmedium-Rohrleitung 6) an. Wenn der Druck
höher wird, erhöht sich die Verdampfungstemperatur
(Siedepunkt), so daß der Betrieb instabil werden kann.
Aus diesem Grund wird die durch Verdampfung und Konden
sation des Heizmediums 10 hervorgerufene Druckänderung in
der geschlossenen Rohrleitungsschleife von der Aus
gleichvorrichtung 20 aufgefangen, so daß der Druck in der
Rohrleitungsschleife auf eine im wesentlichen konstante
Größe geregelt wird. Wenn der Druck in der Rohrleitungs
schleife klein ist, bleibt die Verdampfungstemperatur des
Heizmediums 10 im wesentlichen konstant. Auf diese Weise
wird der Betrieb der Kühlvorrichtung beträchtlich stabi
lisiert.
Wie erwähnt, besitzt zudem die Kühlvorrichtung die
Selbst- oder Eigenregelfunktion. Wenn der Druck in der
Rohrleitungsschleife im wesentlichen konstant gehalten
wird, bleibt die Verdampfungstemperatur des Heizmediums
10 praktisch konstant, und die Temperatur der zu kühlen
den Einheit kann stabil aufrechterhalten werden.
Im folgenden ist eine Temperaturregelvorrichtung als
weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeüber
tragungsanordnung beschrieben.
Fig. 7 zeigt den Grundaufbau der Anordnung. Dabei sind
eine kleine Gasflasche (bomb) 23 als Druckregelvorrich
tung und ein Druckminderventil 24 hinzugefügt, um eine
Gasdruckregelung des nichtkondensierbaren Gases zu
ermöglichen, das in dem durch die Gummimembran 21 abge
trennten oberen Raum der Volumenänderungs-Ausgleichvor
richtung 20 gemäß Fig. 6 eingeschlossen ist. Bei der
Temperaturregelvorrichtung wird in der Gasflasche 23
enthaltenes Hochdruckgas mittels des Druckminderventils
24 reguliert, wobei der Gesamtdruck in der Ausgleichvor
richtung 20 und in der geschlossenen Rohrleitungsschleife
(Heizmedium-Rohrleitung 6) auf eine vorbestimmte Größe
geregelt werden kann. Mittels der Druckregelvorrichtung
22 wird der in der Rohrleitungsschleife herrschende Druck
beliebig oder willkürlich geändert, um damit die Ver
dampfungstemperatur des Heizmediums 10 zu ändern und die
Kühlleistung zu regeln. Infolgedessen kann die Temperatur
der zu kühlenden Einheit 1 zweckmäßig geregelt werden.
Für die automatische Regelung der Temperatur der Einheit
1 wird gemäß Fig. 8 die Temperatur des Heizmediums 10
(oder der Einheit 1) mittels eines Drucksensors 26
erfaßt; das Öffnen des Druckminderventils 24 kann durch
eine Ventilöffnungs-Steuervorrichtung 27 automatisch
gesteuert werden.
Die Kühlvorrichtung weist eine ihr eigene gewisse Tempe
ratur-Selbstregelfunktion auf. Wie erwähnt, ist bei der
beschriebenen Ausführungsform die Druckregelvorrichtung
22 vorgesehen, so daß ein weiter Temperaturregelbereich
vorgegeben und eingehalten werden kann. Dies stellt einen
sehr wirksamen Regelmechanismus dar.
Darüber hinaus können bei der eine Anzahl von Rohrlei
tungen im Wärmeabnahmeteil aufweisenden Vorrichtung gemäß
der dritten Ausführungsform die Verdampfungsgrößen an den
entsprechenden Stellen der Rohrleitungen im Wärmeabnah
meteil so geändert werden, daß sie einander aufheben,
ohne daß die Volumenänderungs-Ausgleichvorrichtung 20,
wie bei vierter und fünfter Ausführungsform, vorgesehen
zu sein braucht. Auf diese Weise kann ersichtlicherweise
ein stabiler Betrieb erreicht werden. Im Hinblick auf die
Vereinfachung des Aufbaus der Anordnung ist das für die
dritte Ausführungsform beschriebene Parallelrohrlei
tungssystem äußerst günstig.
Die Fig. 9A bis 9E sind Schnittansichten mehrere Bei
spiele für Rückschlagventile. Fig. 9A zeigt ein Rück
schlagventil des einfachsten Aufbaus; dieses umfaßt einen
in der Heizmedium-Rohrleitung 6 ausgebildeten Ventilsitz
30 und eine Kugel als Ventilkörper 31. Die Kugel kann aus
verschiedenen Metallen, wie Stahl oder einer Legierung,
oder aus verschiedenen Arten von (Kunst-)Harzen, wie
einem wärmebeständigen Kunststoff, bestehen. Da bei
diesem Rückschlagventil der Ventilkörper (die Kugel) 31
frei beweglich ist, ist der Einsatzbereich dieses Rück
schlagventils gewissen Einschränkungen unterworfen.
Bei den Rückschlagventilen gemäß den Fig. 9B bis 9E wird
jeweils eine den Ventilkörper 31 an den Ventilsitz 30
andrückende Druckfeder 32 verwendet. Ein solches Rück
schlagventil kann problemfrei auch in einem schwerelosen
Zustand oder in einer waagerechten Rohrleitung eingesetzt
werden.
Die Ausgestaltungen der genannten Rückschlagventile sind
nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt, viel
mehr können beliebige andere Formen verwendet werden,
sofern die Funktion jeweils die gleiche ist. Bezüglich
der Menge des Heizmediums 10 wurde bereits angegeben, daß
diese Menge im allgemeinen etwa 20-99%, vorzugsweise
70-95% des gesamten Fassungsvermögens (deposition) der
Rohrleitungsschleife beträgt. Diese Prozentsätze sind
Werte, die durch die Gesamtlänge der geschlossenen
Rohrleitungsschleife und die Leistungsfähigkeit (rate)
des Wärmeabnahmeteils beeinflußt werden. Diese Werte sind
im folgenden näher erläutert. Dabei unterliegt als
Voraussetzung die Güte des die geschlossene Rohrlei
tungsschleife bildenden Rohrleitungsmaterials keiner
Einschränkung; es wird jedoch vorausgesetzt, daß keine
temperaturabhängige Änderung des Gesamtvolumens der
Rohrleitung auftritt.
Nachstehend wird folgendes vorausgesetzt:
V = Gesamtvolumen der geschlossenen Rohrleitungsschleife;
Ve = Volumen der Rohrleitung des Wärmeabnahmeteils 3; und
Vl = Flüssigkeitsvolumen des einzuschließenden Heizmedi ums 10 (Einschlußmenge). Unter der Voraussetzung, daß das gesamte Heizmedium 10 des Wärmeabnahmeteils 3 in Dampf übergeht, läßt sich die Einschlußmenge ausdrücken zu V - Ve.
Ve = Volumen der Rohrleitung des Wärmeabnahmeteils 3; und
Vl = Flüssigkeitsvolumen des einzuschließenden Heizmedi ums 10 (Einschlußmenge). Unter der Voraussetzung, daß das gesamte Heizmedium 10 des Wärmeabnahmeteils 3 in Dampf übergeht, läßt sich die Einschlußmenge ausdrücken zu V - Ve.
Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads bzw. der Wirk
samkeit der Umwälzkraft sei jedoch angenommen, daß etwa
10% des Heizmediums 10 in Dampf übergehen; die tatsäch
liche oder Ist-Einschlußmenge läßt sich dabei durch
folgende Gleichung ausdrücken:
Ist-Einschlußmenge = V-(0,1×Ve).
Die Flüssigkeits-Einschlußmenge (disable amount of
enclosing) Vl läßt sich daher durch folgende Gleichung
ausdrücken:
V-Ve < Vl < V-(0,1×Ve).
Die Kühlvorrichtung und die Temperaturregelvorrichtung
bei der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung sind
nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern innerhalb des Rahmens der Erfindung
verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich.
Wie vorstehend beschrieben, wird mit der Erfindung eine
Wärmeübertragungsanordnung geschaffen, die durch eine
Kühlvorrichtung eines einfachen Aufbaus repräsentiert
ist, bei welcher die Anordnung der einzelnen Bauteile
keinen Begrenzungen oder Einschränkungen unterliegt und
keine eine mechanische Antriebsquelle aufweisende Um
wälzvorrichtung, wie eine Pumpe, benötigt wird. Zudem
wird mit der Erfindung eine eine derartige Kühlvorrich
tung aufweisende Temperaturregelvorrichtung geschaffen.
Claims (27)
1. Wärmeübertragungsanordnung, gekennzeichnet durch eine
geschlossene Rohrleitungsschleife (6), die eine
vorbestimmte Menge eines flüssigen Heizmediums (10)
einschließt,
einen Wärmeabnahmeteil (3), der Wärme von einem zu kühlenden Objekt aufnimmt und die Wärme zum Heizme dium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife überträgt,
einen Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht,
ein erstes Rückschlagventil (4), welches das Heizme dium aufgrund einer Volumenausdehnung, die dann stattfindet, wenn mindestens ein Teil des Heizmediums im Wärmeabnahmeteil verdampft, in einer ersten Rich tung zum Abstrahlteil strömen läßt, und
ein zweites Rückschlagventil (7), welches das Heiz medium aufgrund einer Volumenzusammenziehung oder -verkleinerung, die dann entsteht, wenn das ver dampfte Heizmedium im Abstrahlteil abkühlt, nur in der gleichen Richtung wie die erste Richtung strömen läßt.
einen Wärmeabnahmeteil (3), der Wärme von einem zu kühlenden Objekt aufnimmt und die Wärme zum Heizme dium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife überträgt,
einen Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht,
ein erstes Rückschlagventil (4), welches das Heizme dium aufgrund einer Volumenausdehnung, die dann stattfindet, wenn mindestens ein Teil des Heizmediums im Wärmeabnahmeteil verdampft, in einer ersten Rich tung zum Abstrahlteil strömen läßt, und
ein zweites Rückschlagventil (7), welches das Heiz medium aufgrund einer Volumenzusammenziehung oder -verkleinerung, die dann entsteht, wenn das ver dampfte Heizmedium im Abstrahlteil abkühlt, nur in der gleichen Richtung wie die erste Richtung strömen läßt.
2. Wärmeübertragungsanordnung, gekennzeichnet durch eine
geschlossene Rohrleitungsschleife (6), die eine
vorbestimmte Menge eines flüssigen Heizmediums (10)
einschließt,
einen Wärmeabnahmeteil (3), der Wärme von einem zu kühlenden Objekt aufnimmt und die Wärme zum Heizme dium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife überträgt,
einen ersten Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht,
einen Wärmetauscher (5) für einen Wärmeaustausch des im ersten Abstrahlteil gekühlten Heizmediums mit dem im Wärmeabnahmeteil erwärmten Heizmedium und
mindestens ein in der geschlossenen Rohrleitungs schleife angeordnetes Rückschlagventil (4), das nur eine Einwegströmung des Heizmediums vom Wärmeabnah meteil in Richtung zum Abstrahlteil zuläßt.
einen Wärmeabnahmeteil (3), der Wärme von einem zu kühlenden Objekt aufnimmt und die Wärme zum Heizme dium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife überträgt,
einen ersten Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht,
einen Wärmetauscher (5) für einen Wärmeaustausch des im ersten Abstrahlteil gekühlten Heizmediums mit dem im Wärmeabnahmeteil erwärmten Heizmedium und
mindestens ein in der geschlossenen Rohrleitungs schleife angeordnetes Rückschlagventil (4), das nur eine Einwegströmung des Heizmediums vom Wärmeabnah meteil in Richtung zum Abstrahlteil zuläßt.
3. Wärmeübertragungsanordnung, gekennzeichnet durch eine
geschlossene Rohrleitungsschleife (6), die eine
vorbestimmte Menge eines flüssigen Heizmediums (10)
einschließt,
einen Wärmeabnahmeteil (3), welcher Wärme von einem Objekt, dessen Temperatur zu regeln ist, aufnimmt und die Wärme zum Heizmedium in der geschlossenen Rohr leitungsschleife überträgt,
einen Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht, mindestens ein in der geschlossenen Rohrleitungs schleife angeordnetes Rückschlagventil (4, 7), welches nur eine Einwegströmung des Heizmediums vom Wärmeabnahmeteil in Richtung zum Abstrahlteil zuläßt, und
eine Druckregeleinheit (20) zum Regeln des Drucks in der geschlossenen Rohrleitungsschleife.
einen Wärmeabnahmeteil (3), welcher Wärme von einem Objekt, dessen Temperatur zu regeln ist, aufnimmt und die Wärme zum Heizmedium in der geschlossenen Rohr leitungsschleife überträgt,
einen Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife Wärme entzieht, mindestens ein in der geschlossenen Rohrleitungs schleife angeordnetes Rückschlagventil (4, 7), welches nur eine Einwegströmung des Heizmediums vom Wärmeabnahmeteil in Richtung zum Abstrahlteil zuläßt, und
eine Druckregeleinheit (20) zum Regeln des Drucks in der geschlossenen Rohrleitungsschleife.
4. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke bzw. der Durchmesser
des Rohrs der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6)
nahe dem Wärmeabnahmeteil zur Einstellung eines
kolbenartigen Strömungszustands (piston type flow
state), wenn das Heizmedium (10) Wärme aufnimmt und
verdampft, gewählt ist, wobei dieser Strömungszustand
in eine Zweiphasenströmung aus Dampf und Flüssigkeit
übergeht.
5. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke bzw. der Durchmesser
des Rohrs der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6)
nahe dem Wärmeabnahmeteil zur Einstellung eines
kolbenartigen Strömungszustands (piston type flow
state), wenn das Heizmedium (10) Wärme aufnimmt und
verdampft, gewählt ist, wobei dieser Strömungszustand
in eine Zweiphasenströmung aus Dampf und Flüssigkeit
übergeht.
6. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke bzw. der Durchmesser
des Rohrs der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6)
nahe dem Wärmeabnahmeteil zur Einstellung eines
kolbenartigen Strömungszustands (piston type flow
state), wenn das Heizmedium (10) Wärme aufnimmt und
verdampft, gewählt ist, wobei dieser Strömungszustand
in eine Zweiphasenströmung aus Dampf und Flüssigkeit
übergeht.
7. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß dann, wenn das Rohr der geschlos
senen Rohrleitungsschleife nahe dem Wärmeabnahmeteil
waagerecht angeordnet ist, der Innendurchmesser d
(mm) des Rohrs entsprechend folgender Formel gewählt
ist:
in welcher bedeuten: σ = Oberflächenspannung des
Heizmediums (N/m) und ρ = Dichte des Heizmediums
(g/cm3).
8. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß dann, wenn das Rohr der geschlos
senen Rohrleitungsschleife nahe dem Wärmeabnahmeteil
waagerecht angeordnet ist, der Innendurchmesser d
(mm) des Rohrs entsprechend folgender Formel gewählt
ist:
in welcher bedeuten: σ = Oberflächenspannung des
Heizmediums (N/m) und ρ = Dichte des Heizmediums
(g/cm3).
9. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß dann, wenn das Rohr der geschlos
senen Rohrleitungsschleife nahe dem Wärmeabnahmeteil
waagerecht angeordnet ist, der Innendurchmesser d
(mm) des Rohrs entsprechend folgender Formel gewählt
ist:
in welcher bedeuten: σ = Oberflächenspannung des
Heizmediums (N/m) und ρ= Dichte des Heizmediums
(g/cm3).
10. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstrahlteil (8) ein Kühlge
bläse (11) aufweist.
11. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstrahlteil (8) ein Kühlge
bläse (11) aufweist.
12. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstrahlteil (8) ein Kühlge
bläse (11) aufweist.
13. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) ein erstes,
das Heizmedium (10), das Wärme vom Wärmeabnahmeteil
(3) abgenommen hat, führendes Rohr (6a) und ein
zweites Rohr (6b) aufweist, welches das im
Abstrahlteil (8) gekühlte Heizmedium führt und einen
Wärmeaustausch mit dem Heizmedium im ersten Rohr
durchführt.
14. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Rohr (6b) die Außen
seite des ersten Rohrs umschließend angeordnet ist
und daß erstes und zweites Rohr zu einer Doppelrohr
struktur geformt sind.
15. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß erstes Rohr (6a) und zweites Rohr
(6b) an einer Stelle angeordnet sind, an welcher ein
Wärmeaustausch zwischen ihnen stattfinden kann.
16. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einschlußmenge des Heizmedi
ums auf einen Bereich festgelegt ist, der durch
folgende Ungleichung ausgedrückt ist:
V-Ve < Vl < V-(0,1×Ve),in welcher bedeuten: V = Gesamtvolumen der geschlos
senen Rohrleitungsschleife, Ve = Volumen der Rohr
leitung des Wärmeabnahmeteils und Vl = Gesamtvolumen
(Einschlußmenge) des Heizmediums.
17. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einschlußmenge des Heizmedi
ums auf einen Bereich festgelagt ist, der durch
folgende Ungleichung ausgedrückt ist:
V-Ve < Vl < V-(0,1×Ve),in welcher bedeuten: V = Gesamtvolumen der geschlos
senen Rohrleitungsschleife, Ve = Volumen der
Rohrleitung des Wärmeabnahmeteils und Vl = Gesamtvo
lumen (Einschlußmenge) des Heizmediums.
18. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einschlußmenge des Heizmedi
ums auf einen Bereich festgelegt ist, der durch
folgende Ungleichung ausgedrückt ist:
V-Ve < Vl < V-(0,1×Ve),in welcher bedeuten: V = Gesamtvolumen der geschlos
senen Rohrleitungsschleife, Ve = Volumen der Rohr
leitung des Wärmeabnahmeteils und Vl = Gesamtvolumen
(Einschlußmenge) des Heizmediums.
19. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die geschlossene Rohrleitungs
schleife eine Rohrleitung aufweist, die in mehrere
parallele Rohre verzweigt ist.
20. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die geschlossene Rohrleitungs
schleife eine Rohrleitung aufweist, die in mehrere
parallele Rohre verzweigt ist.
21. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die geschlossene Rohrleitungs
schleife eine Rohrleitung aufweist, die in mehrere
parallele Rohre verzweigt ist.
22. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ferner eine Druckregeleinheit
(22) zum Regeln des Druck in der geschlossenen
Rohrleitungsschleife oder eine Volumenänderungs-Aus
gleicheinheit (20) zum Absorbieren bzw. Auffangen der
Volumenausdehnung des Heizmediums in der geschlos
senen Rohrleitungsschleife aufweist.
23. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ferner eine Druckregeleinheit
(22) zum Regeln des Druck in der geschlossenen
Rohrleitungsschleife oder eine Volumenänderungs-Aus
gleicheinheit (20) zum Absorbieren bzw. Auffangen der
Volumenausdehnung des Heizmediums in der geschlos
senen Rohrleitungsschleife aufweist.
24. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderungs-
Ausgleicheinheit (20) ein mit der geschlossenen
Rohrleitungsschleife verbundenes, geschlossenes oder
abgedichtetes Gefäß aufweist, wobei ein flexibles
Element (21) das Gefäß in einen ersten, mit der
geschlossenen Rohrleitungsschleife verbundenen Raum
und einen zweiten, abgedichteten Raum unterteilt und
ein nichtkondensierbares Gas im zweiten Raum einge
schlossen ist.
25. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 24, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ferner eine Gasdruckregel
einheit (22) zum Regeln des Drucks des nichtkonden
sierbaren Gases aufweist.
26. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gasdruckregeleinheit (22)
eine Gaszuführeinheit (23), ein Druckminderventil
(24) zum Mindern des Drucks des von der Gaszuführ
einheit zugespeisten Hochdruckgases und zum Einführen
von druckgemindertem Gas in den zweiten Raum sowie
eine Öffnungssteuereinheit (27) zum Steuern des
Öffnens des Druckminderventils aufweist.
27. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckregeleinheit (22) ein
mit der geschlossenen Rohrleitungsschleife verbun
denes, geschlossenes bzw. abgedichtetes Gefäß, ein
flexibles Element (21), welches das Gefäß in einen
ersten, mit der geschlossenen Rohrleitungsschleife
verbundenen Raum und einen abgedichteten zweiten Raum
unterteilt, eine Gaszuführeinheit (23) zum Zuspeisen
eines nichtkondensierbaren Gases zum zweiten Raum,
ein Druckminderventil (24) zum Mindern des Drucks des
von der Gaszuführeinheit zugespeisten Hochdruckgases
und zum Einführen von druckgemindertem Gas in den
zweiten Raum sowie eine Öffnungssteuereinheit (27)
zum Steuern des Öffnens des Druckminderventils
aufweist.
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