DE4125423A1 - Waermetransportsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetransportsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem Wärme von einer Wärmeerzeugungsvorrichtung zu einer Kühlvor­ richtung transportiert wird, in dem ein Arbeitsfluid zirkuliert, das in der Phase veränderbar ist. Dieses Wärmetransportsystem ist besonders geeignet für die Verwendung im Weltraum, wo keine Schwerkraft existiert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein bekanntes Wärmetransport­ system, das in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 29 196/1988 offenbart ist. Fig. 5 stellt einen ersten Betriebszustand dar, bei dem ein Auf/Zu-Ventil 11 geschlossen und ein Dreiwege-Ventil 7 so geschal­ tet ist, daß ein Akkumulator 3 mit einer Flüssig­ keitsleitung 13 verbunden ist. Fig. 6 stellt einen zweiten Betriebszustand dar, bei dem das Auf/Zu-Ven­ til geöffnet und das Dreiwege-Ventil 7 so geschaltet ist, daß der Akkumulator 3 mit einer Verbindungslei­ tung 4 verbunden ist.

Dieses System enthält einen Verdampfer 1, einen Kon­ densator 2, in dem das dampfförmige Arbeitsfluid kon­ densiert und sich verflüssigt infolge von Wärmestrah­ lung, den Akkumulator 3, die Verbindungsleitung 4 die die Dampfphase 5 im Verdampfer 1 mit der Dampf­ phase 6 im Akkumulator 3 verbindet, um den Innendruck des Verdampfers 1 und des Akkumulators 3 auszuglei­ chen, das Dreiwege-Ventil 7 mit drei Öffnungen zur Verbindungsleitung 4, zur Flüssigkeitsleitung 13 und zum Akkumulator 3, eine Flüssigkeitsrückkehrleitung 8, die die Flüssigphase 9 im Akkumulator 3 mit der Flüssigphase 10 im Verdampfer 1 verbindet, das Auf/Zu-Ventil 11 in der Mitte der Flüssigkeitsrück­ kehrleitung 8, eine Dampfleitung 12, die den Verdamp­ fer 1 mit dem Kondensator 2 verbindet, die Flüssig­ keitsleitung 13, durch welche das verflüssigte Ar­ beitsfluid vom Kondensator 2 zum Akkumulator 3 fließt, einen am Verdampfer 1 angeordneten Wärmeer­ zeuger 14, der durch ein elektronisches Gerät oder dergleichen dargestellt sein kann, und einen Radiator 15, der in Kontakt mit dem Kondensator 2 steht.

Die Dampfleitung 12, die Flüssigkeitsleitung 13 und die Flüssigkeitsrückkehrleitung 8 bilden mit dem Ver­ dampfer 1, dem Kondensator 2 und dem Akkumulator 3 eine geschlossene Schleife. Das kondensierte Arbeits­ fluid 16, wie Freon, Alkohol, Ammoniak oder derglei­ chen fließt durch die geschlossene Schleife. Das Vo­ lumen des flüssigen Arbeitsfluids 16 kann entsprechend den Bedingungen des Wärmetransportsystems und anderen Faktoren gewählt werden, wie im Stand der Technik gut bekannt ist.

Im folgenden werden der erste Betriebszustand nach Fig. 5 und der zweite Betriebszustand nach Fig. 6 näher erläutert.

Im ersten Betriebszustand ist das Auf/Zu-Ventil 11 geschlossen und das Dreiwege-Ventil 7 so eingestellt, daß es den Akkumulator 3 mit der Flüssigkeitsleitung 13 verbindet. Das flüssige Arbeitsfluid 16 wird auf­ grund der vom Wärmeerzeuger 14 abgegebenen Wärme im Verdampfer 1 verdampft.

Der Dampf wird durch die Dampfleitung 12 aus dem Ver­ dampfer 1 in den Kondensator 2 geleitet, wie durch den strichlierten Pfeil in Fig. 5 angedeutet ist, und in diesem durch die Abgabe von Kondensationswärme gekühlt und dann verflüssigt. Das verflüssigte Ar­ beitsfluid wird dann durch den Druck des aus dem Ver­ dampfer 1 strömenden Dampfes herausgestoßen und fließt durch die Flüssigkeitsleitung 13 in den Akku­ mulator 3, wie durch den ausgezogenen Pfeil in Fig. 5 dargestellt ist. Die Flüssigkeit im Verdampfer 1 wird für das erwähnte Wärmetransportmedium verwendet.

Im zweiten Betriebszustand nach Fig. 6 ist das Auf/Zu-Ventil 11 geöffnet und das Dreiwege-Ventil 7 ist umgeschaltet, so daß es den Akkumulator 3 mit der Verbindungsleitung 4 verbindet. In diesem zweiten Betriebszustand strömt somit Dampf aus dem Verdampfer 1 durch die Verbindungsleitung 4 in den Akkumulator 3, wie der gestrichelte Pfeil zeigt. Die Flüssigkeit 9 im Akkumulator 3 fließt durch die Flüssigkeitsrück­ kehrleitung 8 und das Auf/Zu-Ventil 11 in den Ver­ dampfer 1 zurück wie durch den ausgezogenen Pfeil in Fig. 6 ersichtlich ist. Im zweiten Betriebszustand bewegt sich die Flüssigkeit bei Vorhandensein von Schwerkraft aufgrund der Höhendifferenz zwischen der Flüssigkeit 9 im Akkumulator 3 und der Flüssigkeit 10 im Verdampfer 1.

Bei diesem bekannten Transportsystem erfolgt in ange­ messenen Zeitabständen durch Betätigung des Dreiwege- Ventils 7 und des Auf/Zu-Ventils 11 eine abwechselnde Umschaltung zwischen dem ersten Betriebszustand in Fig. 5 und dem zweiten Betriebszustand in Fig. 6.

Durch die fortlaufende Umschaltung zwischen dem er­ sten und dem zweiten Betriebszustand wird die im Wär­ meerzeuger 14 erzeugte Wärme mittels des Arbeits­ fluids 16 vom Verdampfer 1 zum Kondensator 2 trans­ portiert und das Arbeitsfluid im Kondensator 2 abge­ kühlt.

Das vorbeschriebene bekannte Wärmetransportsystem hat jedoch den Nachteil, daß es nicht im Weltraum verwen­ det werden kann, in welchem eine Schwerkraft nicht vorhanden oder nur sehr gering ist, da die Schwer­ kraft im zweiten Betriebszustand die Rückkehr der Flüssigkeit aus dem Akkumulator 3 in den Verdampfer 1 bewirkt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Wärmetransportsystem zu schaffen, das selbst im Weltraum, in dem keine Schwerkraft herrscht, verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bzw. 2 ange­ gebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetransportsystems ergeben sich aus den zugeordneten Unteransprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetrans­ portsystem für den Umlauf eines Arbeitsfluids in ei­ ner geschlossenen Schleife mit einem Verdampfer, ei­ nem Kondensator, einem Akkumulator, Schaltmitteln und diese Geräte verbindenden Leitungen, so daß Wärme vom Verdampfer zum Kondensator transportiert wird, ge­ kennzeichnet durch eine Kapillaranordnung mit einer Wärmeübertragungsoberfläche im Verdampfer, an der das Arbeitsfluid von der Flüssigphase in die Dampfphase wechselt, so daß die Flüssigkeit aus dem Akkumulator in den Verdampfer zurückkehrt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärmetransportsystems nach einem er­ sten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,

Fig. 2 das Wärmetransportsystem nach dem er­ sten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zweiten Betriebszustand,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wärmetransportsystems nach einem zwei­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,

Fig. 4 das Wärmetransportsystem nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung in einem zweiten Betriebszustand,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines bekannten Wärmetransportsystems in einem ersten Betriebszustand, und

Fig. 6 das bekannte Wärmetransportsystem in einem zweiten Betriebszustand.

In den das Prinzip eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellenden Fig. 1 und 2 sind die einzel­ nen Komponenten 1 bis 16 die gleichen wie die Kompo­ nenten 1 bis 16 des bekannten Wärmetransportsystems nach den Fig. 5 und 6. Diese werden daher nicht noch­ mals erläutert.

Im ersten Betriebszustand ist die Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung nach Fig. 1 die gleiche wie im ersten Betriebszustand des bekann­ ten Wärmetransportsystems nach Fig. 5.

Das Auf/Zu-Ventil 11 ist geschlossen und das Dreiwe­ ge-Ventil 7 verbindet den Akkumulator 3 mit der Flüs­ sigkeitsleitung 13, wie aus Fig. 1 ersichtlicht ist. Das Arbeitsfluid 16 wird im Verdampfer 1 aufgrund der im Wärmeerzeuger 14, beispielsweise einem elektroni­ schen Gerät erzeugten Wärme verdampft.

Der aus dem Verdampfer 1 strömende Dampf gelangt durch die Dampfleitung 12 in den Kondensator 2, wie durch den strichlierten Pfeil angedeutet ist, und wird im Kondensator 2 durch die Abgabe von Kondensa­ tionswärme gekühlt und dann verflüssigt. Das verflüs­ sigte Fluid wird durch den Druck des aus dem Verdamp­ fer 1 strömenden Dampfes aus dem Kondensator 2 ge­ drängt und fließt durch die Flüssigkeitsleitung 13 in den Akkumulator 3, wie anhand des ausgezogenen Pfeils dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt den zweiten Betriebszustand dieses Wär­ metransportsystems, in welchem das Auf/Zu-Ventil 11 geöffnet ist und das Dreiwege-Ventil 7 den Akkumula­ tor 3 mit der Verbindungsleitung 4 verbindet.

Eine Kapillaranordnung 21 besitzt eine Kapillarwir­ kung, durch die die Flüssigkeit 16 im Verdampfer 1 in die Dampfphase 5 umgewandelt wird.

Die Kapillaranordnung ist an einer Wärmeübertragungs­ oberfläche ausgebildet, beispielsweise durch eine Vielzahl von Schlitzen. Diese Schlitze sind kontinu­ ierlich parallel angeordnet und ihre Teilung beträgt etwa 0,5 mm. Die Kapillaranordnung 21 erstreckt sich entlang wenigstens eines Teils der Grenzfläche zwi­ schen der Dampfphase und der Flüssigphase im Verdamp­ fer 1.

Das flüssige Arbeitsfluid 9 im Akkumulator 3 fließt durch die Flüssigkeitsrückkehrleitung 8 und das Auf/Zu-Ventil 11 zum Verdampfer 1, wie durch die aus­ gezogenen Pfeile dargestellt ist, aufgrund des durch die Kapillaranordnung an der Wärmeübertragungsober­ fläche des Verdampfers 1 erzeugten Kapillardrucks.

Da die Kapillarwirkung selbst in schwereloser Umge­ bung auftritt, ist das vorliegende System auch in dieser betriebsfähig.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen ersten und einen zwei­ ten Betriebszustand des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem mehrere Akkumulatoren vorgese­ hen sind.

In den Fig. 3 und 4 sind ein erster und ein zweiter Akkumulator 31 und 32 abgebildet und ein Vierwege- Ventil 33 weist vier Ein- bzw. Auslaßöffnungen auf, die mit den Akkumulatoren 31 und 32, der Verbindungs­ leitung 4 und der Flüssigkeitsleitung 13 verbunden sind. Ein Dreiwege-Ventil 34 besitzt drei Ein- bzw. Auslaßöffnungen, die mit den Akkumulatoren 31 und 32 sowie der Flüssigkeitsrückkehrleitung 8 verbunden sind.

Im ersten Betriebszustand nach Fig. 3 sind die Venti­ le 33 und 34 so geschaltet, daß die Dampfphase im ersten Akkumulator 31 mit der Verbindungsleitung 4 und die Flüssigphase im ersten Akkumulator 31 mit der Flüssigkeitsrückkehrleitung 8 verbunden sind, und die Dampfphase im zweiten Akkumulator 32 ist mit der Flüssigkeitsleitung 13 verbunden.

Im ersten Betriebszustand strömt im Verdampfer 1 er­ zeugter Dampf durch die Dampfleitung 12 in den Kon­ densator 2, in welchem der Dampf gekühlt wird und kondensiert. Als Folge hiervon wird Wärme vom Ver­ dampfer 1 zum Kondensator 2 transportiert. Das kon­ densierte Arbeitsfluid fließt aus dem Kondensator 2 durch die Flüssigkeitsleitung 13 und das Vierwege- Ventil 33 zum zweiten Akkumulator 32.

Während des ersten Betriebszustands fließt im ersten Akkumulator 31 befindliches flüssiges Arbeitsfluid durch das Dreiwege-Ventil 34 und die Flüssigkeits­ rückleitung 8 unter der Wirkung des Kapillardrucks der Kapillaranordnung 21 zurück in den Verdampfer 1.

Im zweiten Betriebszustand gemäß Fig. 4 werden die Ventile 33 und 34 so umgeschaltet, daß die Dampfphase im zweiten Akkumulator 32 mit der Verbindungsleitung 4 und die Flüssigphase im zweiten Akkumulator 32 mit der Flüssigkeitsrückkehrleitung 8 verbunden sind, während die Dampfphase im ersten Akkumulator 31 mit der Flüssigkeitsleitung 13 verbunden ist. In diesem zweiten Betriebszustand fließt das Arbeitsfluid aus dem Kondensator 2 in den ersten Akkumulator 31, und die Flüssigkeit im zweiten Akkumulator 32 fließt zu­ rück in den Verdampfer 1.

Es findet eine abwechselnde Umschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand in angemesse­ nen Zeitintervallen statt.

In den in Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispie­ len können das Auf/Zu-Ventil 11, die Dreiwege-Ventile 7 und 34 und das Vierwege-Ventil 33 derart gesteuert werden, daß jedes der Ventile nach jeweils einer be­ stimmten Zeitspanne umgeschaltet wird. Alternativ kann das Umschalten in der Weise gesteuert werden, daß dieses abhängig von der Erfassung der Änderung des Flüssigkeitspegels im Verdampfer 1 oder in den Akkumulatoren 3, 31 und 32 erfolgt.

Obgleich das Wärmetransportsystem in der vorangehen­ den Beschreibung einen oder zwei Akkumulatoren auf­ weist, kann es auch mit drei oder mehr Akkumulatoren ausgestattet sein.

In der vorstehenden Beschreibung werden Kapillarmate­ rialien nicht in den Akkumulatoren 3, 31 und 32 ver­ wendet. Es können jedoch in diesen Kapillarmateria­ lien eingesetzt werden. Im Falle der Ausbildung der Schlitze für das Kapillarmaterial in den Akkumulato­ ren wird die Schlitzteilung der Kapillarschlitze in den Akkumulatoren 3, 31 und 32 größer gewählt als die im Verdampfer 1, so daß die Flüssigkeit im Akkumula­ tor leicht zum Verdampfer 1 zurückkehren kann.

Weiterhin wird in den erläuterten Ausführungsbeispie­ len die Schlitzkonstruktion für die Kapillarmateria­ lien an der Wärmeübertragungsoberfläche verwendet; es kann aber jedes Material, das eine Kapillarwirkung besitzt, wie geschäumtes Metall, filzartiges Metall, netzförmiges Metall und verdrillte Drähte eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Wärmetransportsystem für den Umlauf eines Ar­ beitsfluids in einer aus einem Verdampfer, einem Kondensator, einem Akkumulator, Schaltmitteln und Verbindungsleitungen bestehenden Schleife, derart, daß Wärme vom Verdampfer zum Kondensator transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapillaranordnung (21) vorgesehen ist mit einer Wärmeübertragungsoberfläche im Ver­ dampfer (1), an der das Arbeitsfluid von der Flüssigphase zur Dampfphase übergeht, um den Rückfluß des flüssigen Arbeitsfluids aus dem Akkumulator (3) in den Verdampfer (1) zu bewir­ ken.

2. Wärmetransportsystem für den Umlauf eines Ar­ beitsfluids in einer aus einem Verdampfer, einem Kondensator, mehreren Akkumulatoren, Schaltmit­ teln und Verbindungsleitungen bestehenden Schleife, derart, daß Wärme vom Verdampfer zum Kondensator transportiert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Kapillaranordnung (21) vor­ gesehen ist mit einer Wärmeübertragungsoberflä­ che im Verdampfer (1), an der das Arbeitsfluid von der Flüssigphase zur Dampfphase übergeht, um den Rückfluß des flüssigen Arbeitsfluids aus den Akkumulatoren (31, 32) in den Verdampfer zu be­ wirken.

3. Wärmetransportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaranordnung im Akkumulator (3) vorgesehen ist.

4. Wärmetransportsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaranordnung in den Akkumulatoren (31, 32) vorgesehen ist.

5. Wärmetransportsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaranord­ nung eine Vielzahl von Schlitzen aufweist.

6. Wärmetransportsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze im wesentlichen parallel angeordnet sind und eine Schlitzteilung in der Größe von 0,5 mm besitzen.

7. Wärmetransportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaranordnung durch ein perforiertes Teil gebildet ist.

8. Wärmetransportsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das perforierte Teil aus einem schaumartigen Metall besteht.

9. Wärmetransportsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das perforierte Teil aus einem filzartigen Metall besteht.

10. Wärmetransportsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das perforierte Teil aus einem netzförmigen Metall besteht.

11. Wärmetransportsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das perforierte Teil aus verdrillten Drähten besteht.