DE4240081C1 - Wärmerohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abführen von Wärme, bestehend aus wenigstens einem mit einem Wärme­ trägermedium gefüllten Wärmerohr, in dem wenigstens je ein Strömungskanal für das flüssige und für das in den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärmeträgerme­ dium vorhanden sind und bei dem Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befindliche Blasen zu entfernen sowie aus wenigstens einem mit dem Wärmerohr in thermischem Kontakt stehenden Radiator.

Wärmerohre oder "heat pipes" für den Transport von Wärme sind, insbesondere aus dem Bereich der Raumfahrt­ technik bereits bekannt. Bei diesem wird auf der wärme­ abgebenden Seite eine Flüssigkeit, in der Regel Ammoniak, verdampft und der Dampf wird zur wärmeabge­ benden Seite geleitet. Dort kondensiert der Dampf, wo bei die in ihm gespeicherte latente Wärme an die Umge­ bung abgeführt wird, und das entstehende Kondensat fließt wieder zur wärmeaufnehmenden Seite, dem Verdampfer, zurück. Die dabei auftretende Dampfströmung ist eine normale Druckströmung, während die Flüssig­ keitsströmung eine Kapillarströmung ist. Unterschiedliche Krümmungsradien der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf im Verdampferende einerseits und im Kondensatorende andererseits und die dadurch hervorgerufenen Kapillarkräfte bewirken eine Druck­ differenz in Richtung Verdampferende, die die Strömung antreibt. Die sich einstellende Strömungsgeschwindig­ keit ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen dem Druckverlust aufgrund von Reibungskräften und der wirksamen Druckdifferenz der Kapillarkräfte.

Moderne Hochleistungswärmerohre sind in der Lage, auch bei vergleichsweise geringen Temperaturdifferenzen, Wärmemengen in der Größenordnung von etwa 1 kW über Entfernungen zwischen einem und etwa 20 Metern zu transportieren.

Diese im Vergleich zu konventionellen Wärmerohren höhere Leistung der Hochleistungswärmerohre wird dadurch erzielt, daß für den Transport der Flüssigkeit Kanäle unterschiedlicher Abmessungen verwendet werden: Während im Verdampfungsbereich eine Vielzahl sehr kleiner, in Umfangsrichtung verlaufender Kanäle mit Kapillargeometrien verwendet wird, um große treibende Kapillarkräfte zu erzielen, erfolgt die Strömungs­ führung im Kondensatorbereich sowie in der Transport­ zone über nur wenige Strömungskanäle, gegebenenfalls einem einzigen Kanal mit relativ großem Durchmesser, der auch als Arterie bezeichnet wird. Auf diese Weise wird der reibungsbedingte Druckverlust minimiert und es ergibt sich bei gleichen Kapillarkräften ein wesent­ liche größerer Fluidmassenstrom und als dessen Folge ein ebenfalls wesentlich höherer Wärmestrom.

Ein wesentliches Problem beim Betrieb derartiger Hoch­ leistungswärmerohre liegt darin, daß ihre Funktion er­ heblich beeinträchtigt bzw. ganz unterbrochen werden kann, wenn sich Blasen aus dem Dampf des Wärmeträger­ fluids oder aus gasförmigen, nicht kondensierbaren Fremdstoffen in der Arterie befinden. Diese können sich entweder bereits bei der Inbetriebnahme des Wärmerohres zufällig dort befunden haben, sie können aber auch durch eine betriebsbedingte Überlastung des Wärme­ rohres, beispielsweise eine Überhitzung am Verdampfer­ ende bei kurzzeitiger Austrocknung der Verdampfungszone, entstanden sein. Die Blasen können den Transport des Wärmeträgerfluids zur wärmeaufnehmenden Zone unter­ brechen, so daß diese weiter austrocknet und das Wärme­ rohr in seiner Funktion blockiert wird.

In der Literaturstelle Heat Pipe Design Handbook, Volume 1, B & K Engineering Inc., Towson, Mary­ land 21204, USA, Seiten 149 und 152, sind deshalb zwei Wärmerohre beschrieben, bei denen Maßnahmen zur Ent­ fernung von Blasen und damit zur Vermeidung von Blockaden durch Glasblasen vorgesehen sind. Diese Maß­ nahmen bestehen in einem Fall aus einer Anordnung mit Entlüftungsbohrungen in der Wand zwischen der Arterie und dem Dampfkanal, im anderen Fall aus einer Venturi­ düse, die im Transportbereich für den Dampf angeordnet ist und die zugleich als Strahlpumpe über ein Ansaug­ rohr in der Arterie vorhandene Gasblasen absaugt.

Nachteilig bei einer Anordnung von Entlüftungslöchern in der Arterienwand ist der Umstand, daß während des Betriebes des Wärmerohrs der Druck im Dampfkanal we­ sentlich höher als in der Arterie ist, so daß zur Über­ führung von Gasblasen aus der Arterie in den Dampfkanal eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist. Da dann aber die Entlüftungsbohrungen von Flüssigkeitsbrücken blockiert sind, die zunächst verdampfen müssen bevor die Gasblasen hindurchtreten können, erfordern diese Betriebspausen einen vergleichsweise langen Zeitraum, bevor das Wärmerohr wieder einsatzbereit ist.

Die Anordnung einer Venturidüse im Dampfkanal hat ande­ rerseits den folgenden Nachteil: Befindet sich keine Gasblase im Ansaugbereich der Düse, so sammelt sich ständig eine, wenn auch geringe, Menge an Wärmeträger­ fluid aus der Arterie im Ansaugrohr. Wenn nun eine Gas­ blase vor die Ansaugöffnung gelangt, so muß, damit diese aus der Arterie abgesaugt werden kann, zunächst die Flüssigkeitsmenge aus dem Ansaugrohr entfernt werden. Wegen des damit verbundenen großen Druckver­ lustes der Strömung im Ansaugrohr muß die in der Venturidüse hervorgerufene Druckminderung beträchtlich sein, d. h., die Düse muß eine vergleichsweise starke Querschnittsverengung aufweisen. Dies aber führt auf der anderen Seite zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Dampfströmung infolge des Druckverlustes und damit zu einer stark herabgesetzten Leistungsfähigkeit des Wärmerohres.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmerohr der ein­ gangs genannten Art so auszubilden, daß Dampfblasen des Wärmeträgerfluids sowie Blasen aus nicht kondensier­ barem Gas einfach und schnell, d. h. ohne Betriebsunter­ brechung, aus dem Strömungskanal für das Fluid entfernt werden können, auch wenn sie vor der Inbetriebnahme bereits den größten Teil des Strömungsquerschnittes der Arterie einnehmen oder wenn diese Blasen durch Über­ lastung in der Verdampfungszone entstanden sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Wärmerohr mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Das Wärmerohr nach der Erfindung ist dabei in hohem Maße fehlertolerant gegenüber im Betrieb auftretenden Überlastungen, da der Start- bzw. Wiederanfahrvorgang wesentlich vereinfacht und beschleunigt wird. Ein be­ sonders wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Wärme­ rohres liegt ferner darin, daß es möglich ist, nicht nur Blasen aus nicht-kondensierbaren Gasen aus dem Flüssigkeitskanal zu entfernen, sondern ebenso wirksam auch Dampfblasen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Aus­ führungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Anordnung zum Abführen von Wärme und

Fig. 2 und 3 je einen Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Anordnung gemäß II-II bzw. III-III.

Die in Fig. 1 in einer Draufsicht dargestellte Anord­ nung umfaßt ein Hauptwärmerohr 1, zwei Hilfswärmerohre 2 und 3 sowie zwei Radiatoren 4 und 5. Von letzteren steht der größere der beiden, der Hauptradiator 4, in direktem thermischen Kontakt mit dem kondensator­ seitigen Ende des Hauptwärmerohres 1, während der wesentlich kleiner ausgelegte Hilfsradiator 5 vom Hauptradiator 4 thermisch getrennt angeordnet ist. Die thermische Trennung der beiden Radiatoren wird dabei sowohl durch den Abstand zwischen diesen erreicht, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, als auch gegebenenfalls durch eine zwischen beiden angeordnete Isolierung.

Der Hilfsradiator 5 steht in direktem thermischen Kontakt mit den kondensatorseitigen Endbereichen sowohl des Hauptwärmerohres 1 als auch der beiden Hilfswärme­ rohre 2 und 3, die einen wesentlich geringeren Quer­ schnitt als das Hauptwärmerohr 1 aufweisen. Mit letzterem sind sie am gemeinsamen Verdampferende thermisch gekoppelt, wie die Darstellung in Fig. 2 zeigt. Dies geschieht über Kontaktflächen 6, 7 und 8, die jeweils an die verdampferseitigen Endbereiche der Wärmerohre 1 bis 3 angeformt sind und die unmittelbar miteinander verbunden sind.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ferner den inneren Aufbau des Hauptwärmerohres 1, das durch ein in Axialrichtung verlaufendes Strangpreßprofil 9 in je zwei Flüssigkeits­ kanäle oder Arterien 10 und 11 sowie in zwei Dampf­ kanäle 12 und 13 unterteilt ist. Unterhalb der beiden Flüssigkeitskanäle 10 und 11, durch ein perforiertes Blech 14 von diesen getrennt, verläuft bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ferner ein weiterer von der Flüssigkeit durchströmter Kanal 15, der als Falle für in der Flüssigkeit enthaltene Gas- oder Dampfblasen dient.

Gas- oder Dampfblasen, die sich in der Verdampferzone des Wärmerohres 1 befinden und die sich dort entweder bereits aufgrund einer ungünstigen Fluidverteilung vor der Inbetriebnahme im Orbit befanden, die durch eine kurzzeitige Überlastung entstanden sind oder die über die Kanäle 12, 13 oder 15 dorthin transportiert wurden, werden dadurch aufgelöst, daß das in diesen Kanälen befindliche Kondensat unterkühlt wird. Dies wird mit Hilfe der Hilfswärmerohre 2 und 3 erreicht, die mit dem Hilfsradiator 5 verbunden sind und die die für die Unterkühlung des Kondensats erforderliche zusätzliche Wärmeabfuhr sicherstellen.

Claims (4)

1. Anordnung zum Abführen von Wärme, bestehend aus wenigstens einem mit einem Wärmeträgermedium gefüllten Wärmerohr, in dem wenigstens je ein Strömungskanal für das flüssige und für das in den dampfförmigen Aggregatzustand überführte Wärme­ trägermedium vorhanden sind und bei dem Mittel vorgesehen sind, um im Flüssigkeitskanal befind­ liche Blasen zu entfernen sowie aus wenigstens einem mit dem Wärmerohr in thermischem Kontakt stehenden Radiator, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum ersten Wärmerohr (1) wenigstens ein weiteres Wärmerohr (2) vorgesehen ist, das ver­ dampferseitig mit dem Verdampferbereich des ersten Wärmerohres (1) in thermischem Kontakt steht und das an seinem kondensatorseitigen Ende mit einem zweiten Radiator (5) thermisch gekoppelt ist, der seinerseits thermisch getrennt von dem mit dem ersten Wärmerohr (1) verbundenen ersten Radiator (4) angeordnet ist und der in thermischem Kontakt mit dem Kondensatorbereich des ersten Wärmerohres (1) steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zweiten Wärmerohres (2) wesentlich geringer bemessen ist als derjenige des ersten Wärmerohres (19).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Radiator (5) wesentlich kleiner dimensioniert ist als der erste Radiator (4).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum ersten Wärmerohr (1) zwei, symmetrisch zu diesem angeordnete Wärmerohre (2, 3) vorgesehen sind, die an ihren kondensatorseitigen Endbereichen beide in thermischem Kontakt mit dem zweiten Radiator (5) stehen.