DE4116044C2

DE4116044C2 - Wärmeübertragungsanordnung

Info

Publication number: DE4116044C2
Application number: DE4116044A
Authority: DE
Inventors: Hisao Koizumi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1991-05-16
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2011-05-17
Also published as: JP2859927B2; US5203399A; JPH0420788A; DE4116044A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Artverwandte Anordnungen sind in US 4 818 845, US 4 959 526 und US 5 006 689 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 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 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 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.

Eine gattungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung ist aus der US 4 120 172 bekannt, die eine mit einer verdampfbaren Flüssigkeit befüllte geschlossene Rohrleitungsschleife aufweist. Die Rohrleitung verläuft durch einen Wärmeabnahmeteil, an dem Wärme von einem zu kühlenden Objekt aufgenommen und die Flüssigkeit dadurch zumindest teilweise verdampft wird, und durch eine Abstrahleinrichtung, in der die verdampfte Flüssigkeit unter Abgabe der Wärme wieder kondensiert wird. Der Transport durch die Rohrleitung erfolgt aufgrund der Volumenänderungen der Flüssigkeit und mittels zweier Rückschlagventile, die in die Rohrleitung eingefügt sind und nur eine Strömung in einer Richtung zulassen. Diese bekannte Wärmeübertragungseinrichtung weist außerdem eine mit der Rohrleitungsschleife verbundene Druckausgleichs vorrichtung auf, die aus einem durch eine flexible Membran in zwei Kammern unterteilten Gefäß besteht, wobei die Kammer, die nicht mit der Rohrleitungsschleife in Verbindung steht, mit einem Inertgas befüllt ist.

Weitere ähnliche Wärmeübertragungseinrichtungen sind außerdem noch aus der DE 35 03 160 A1 und der JP 62-112 993 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer gattungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß das Heizmedium in der geschlossenen Rohrleitungsschleife stets in einer sogenannten "Kolbenströmung" (entsprechend Fig. 12 und 13 der Beschreibung) strömt, wodurch der Durchfluß des Wärmemediums in der einen, durch die Rückschlagventile vorgegebenen Richtung kontinuierlich und effektiv aufrecht erhalten wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Insbesondere ist in einer Ausführungsform der Druck in der geschlossenen Rohrleitungsschleife beliebig regelbar, 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 des Heizmediums in der Rohrleitung bei der Erfindung,

Fig. 13 eine Darstellung des Prinzips der Ermittlung 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. 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, 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 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 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 eine 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 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 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 vorbestimmte 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 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:

ΔP = P2 - P1 = ρgd

Darin bedeuten: ρ = Flüssigkeitsdichte (kg/m³); g = Gravitationsbeschleunigung (m/s²); ΔP = 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

Darin bedeuten: σ = Oberflächenspannung (N/m) und Pσ = Anstiegsdruck (rising pressure) aufgrund der Oberflä chenspannung (N/cm²).

Wenn Pσ größer ist als ΔP, 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.

Durchgeführte Versuche haben bestätigt, daß die 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, 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 3 eingeführt. Sodann wird der Wärmeabnahmeteil 3 gekühlt, und die Verdampfung wird unterdrückt, 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 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, so daß die Kühlwirkung abnimmt.

Mit anderen Worten: es kann gesagt werden, daß die Kühlvorrichtung eine sog. "Temperatur- Selbstregelfunktion" aufweist. Wenn insbesondere der Erwärmungs- bzw. Wärmewert 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 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 Anordnung ist aber nicht auf diese Angaben beschränkt.

Tabelle I

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.

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 Wärmeübertragungsanordnung.

Bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 sind der als erster Abstrahlteil dienende Radiator 3 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. B. 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 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 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.

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 Wärmeüber tragungsanordnung beschrieben.

Fig. 7 zeigt den Grundaufbau der Anordnung. Dabei sind eine kleine Gasflasche 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. 3 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 mehrerer 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 der Rohrleitungsschleife beträgt. Diese Prozentsätze sind Werte, die durch die Gesamtlänge der geschlossenen Rohrleitungsschleife und die Leistungsfähigkeit 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.

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 Vl läßt sich daher durch folgende Gleichung ausdrücken:

V - Ve < Vl < V - (0,1×Ve).

Die Kühlvorrichtung und die Temperaturregelvorrichtung bei der Wärmeübertragungsanordnung sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich.

Wie vorstehend beschrieben, wird 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 eine eine derartige Kühlvorrich tung aufweisende Temperaturregelvorrichtung geschaffen.

Claims

1. Wärmeübertragungsanordnung, umfassend eine geschlos sene Rohrleitungsschleife (6), die eine vorbestimm te Menge eines flüssigen Heizmediums (10) ein schließt,
einen Wärmeabnahmeteil (3), der Wärme von einem zu kühlenden Objekt (1) aufnimmt und die Wärme zum Heizmedium (10) in der geschlossenen Rohrleitungs schleife (6) überträgt,
einen Abstrahlteil (8), welcher dem Heizmedium (10) in der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6) Wärme entzieht,
ein erstes Rückschlagventil (4), welches das Heiz medium (10) aufgrund einer Volumenausdehnung, die dann stattfindet, wenn mindestens ein Teil des Heizmediums (10) im Wärmeabnahmeteil (3) verdampft, in einer ersten Richtung zum Abstrahlteil (8) strömen läßt, und
ein zweites Rückschlagventil (7), welches das Heiz medium (10) aufgrund einer Volumenverkleinerung, die dann entsteht, wenn das verdampfte Heizmedium (10) im Abstrahlteil (8) abkühlt, nur in der glei chen Richtung wie die erste Richtung strömen läßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser d (mm) des Rohrs der geschlossenen Rohrleitungs schleife nahe dem Wärmeabnahmeteil (3) entsprechend folgender Formel gewählt ist: in welcher bedeuten:
σ = Oberflächenspannung des Heizmediums (N/m),
ρ = Dichte des Heizmediums (g/cm³) und
g = Gravitationsbeschleunigung (m/s³).

2. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch einen Wärmetauscher (5) für einen Wärmeaustausch des im Abstrahlteil (8) gekühlten Heizmediums (10) mit dem im Wärmeabnahmeteil (3) erwärmten Heizmedium.

3. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) ein er stes, das Heizmedium (10), das Wärme vom Wärmeab nahmeteil (3) abgenommen hat, führendes Rohr (6a) und ein zweites Rohr (6b) aufweist, welches das im Abstrahlteil (8) gekühlte Heizmedium (10) führt und einen Wärmeaustausch mit dem Heizmedium im ersten Rohr (6a) durchführt.

4. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohr (6b) die Außen seite des ersten Rohrs (6a) umschließend angeordnet ist und daß erstes (6a) und zweites Rohr (6b) zu einer Doppelrohrstruktur geformt sind.

5. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohr (6a) und das zweite Rohr (6b) thermisch miteinander verbunden sind, derart, daß ein Wärmeaustausch zwischen ihnen stattfinden kann.

6. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Druckregeleinheit (20, 22) zum Regeln des Drucks in der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6).

7. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstrahlteil (8) ein Kühlgebläse (11) aufweist.

8. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlußmenge des Heizmediums (10) auf einen Bereich festgelegt ist, der durch folgende Ungleichung ausgedrückt ist: V - VE < Vl < V - (0,1×Ve),in welcher bedeuten:
V = Gesamtvolumen der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6),
Ve = Volumen der Rohrleitung des Wärmeabnahmeteils (3) und
Vl = Gesamtvolumen (Einschlußmenge) des Heizmediums (10).

9. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Rohrleitungsschleife (6) eine Rohrleitung aufweist, die in mehrere parallele Rohre (6c, 6d, 6e) verzweigt ist.

10. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinheit (20, 22) ferner eine Volumenänderungs-Ausgleicheinheit (20) zum Absorbieren der Volumenausdehnung des Heizmediums (10) in der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6) aufweist.

11. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderungs-Ausgleicheinheit (20) ein mit der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6) verbundenes, geschlossenes Gefäß aufweist, wobei ein flexibles Element (21) das Gefäß in einen ersten, mit der geschlossenen Rohrleitungsschleife (6) verbundenen Raum und einen zweiten, geschlossenen Raum unterteilt und ein nichtkondensierbares Gas im zweiten Raum eingeschlossen ist.

12. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Gasdruckregeleinheit (22) zum Regeln des Drucks des im zweiten Raum eingeschlossenen nichtkondensierbaren Gases vorgesehen ist.

13. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckregeleinheit (22) eine Gaszuführeinheit (23) zum Zuspeisen von Hochdruckgas, ein Druckminderventil (24) zum Mindern des Drucks des von der Gaszuführeinheit (23) zugespeisten Hochdruckgases und zum Einführen von druckgemindertem Gas in den zweiten Raum sowie eine Öffnungssteuereinheit (27) zum Steuern des Öffnens des Druckminderventils (24) aufweist.