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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kühlkörper und im Spezielleren Kühlkörper zur
Verwendung beim Abführen
von Abwärme,
die durch elektrische oder elektronische Komponenten oder Anordnungen
erzeugt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Forschungsaktivitäten haben
sich auf die Entwicklung von Kühlkörpern konzentriert,
um Wärme
von hoch konzentrierten Wärmequellen
wie z. B. Mikroprozessoren und Computerchips effizient abzuführen. Diese
Wärmequellen
besitzen typischerweise Leistungsdichten im Bereich von etwa 5 bis
35 W/cm2 (4 bis 31 Btu/ft2s)
und relativ wenig verfügbaren Raum
zum Anordnen von Ventilatoren, Wärmetauschern,
Kühlkörpern und
dergleichen.
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Auf
dem Komponentenniveau wurden verschiedene Arten von Wärmetauschern
und Kühlkörpern verwendet,
die eine natürliche
oder erzwungene Konvektion oder andere Kühlverfahren anwenden. Die am
häufigsten
vorhandenen Kühlkörper zur
Mikroelektronikkühlung
wurden im Allgemeinen verwendet, um Wärme direkt von der Wärmequelle
zu entfernen. Allerdings besitzt Luft eine relativ geringe Wärmekapazität. Solche
Kühlkörper sind
geeignet, um Wärme
von Wärmequellen
mit relativ geringer Energie mit einer Leistungsdichte im Bereich
von 5 bis 15 W/cm2 (4 bis 13 Btu/ft2s) zu entfernen. Erhöhungen der Rechengeschwindigkeit
haben zu entsprechenden Erhöhungen
der Leistungsdichte der Wärmequellen
in der Größenordnung
von 20 bis 35 W/cm2 (18 bis 31 Btu/ft2s) geführt,
was somit effektivere Kühlkörper erfordert.
Flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper, die
Fluide mit einer hohen Wärmekapazität verwenden,
wie z. B. Wasser und Wasser/Glykol-Lösungen sind spezieller geeignet,
um Wärme
von diesen Arten von Wärmequellen
mit hoher Leistungsdichte zu entfernen. Eine Art von flüssigkeitsgekühltem Kühlkörper zirkuliert
die Kühlflüssigkeit,
sodass die Flüssigkeit
Wärme von
der Wärmequelle
entfernt und diese dann an einen entfernten Ort transportiert wird,
wo die Wärme
einfach in einen strömenden Luftstrom
unter Verwendung eines Liquid-to-Air-Wärmetauschers
abgeführt
wird. Diese Arten von Kühlkörpern werden
als indirekte Kühlkörper bezeichnet.
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Während Rechengeschwindigkeiten
weiterhin sogar noch dramatischer zunehmen, steigen die entsprechenden
Leistungsdichten der Vorrichtungen bis zu 100 W/cm2.
Die Rahmenbedingungen der notwendigen Kühlsystem-Miniaturisierung verbunden mit
einem hohen Wärmefluss
erfordern extrem effiziente, kompakte, einfache und zuverlässige Kühlkörper wie
z. B. einen Thermosiphon. Ein typischer Thermosiphon umfasst einen
Verdampfungsabschnitt und einen Kondensationsabschnitt. Die Wärme entwickelnde
Vorrichtung ist an dem Verdampfungsabschnitt befestigt. In einigen
Thermosiphonen ist die Wärme
entwickelnde Vorrichtung an der Innenfläche des Verdampfungsabschnittes
befestigt, wo sie in das Arbeitsfluid eingetaucht ist. Alternativ
kann die Wärme
entwickelnde Vorrichtung auch an der Außenfläche des Verdampfungsabschnitts
befestigt sein. Das Arbeitsfluid des Thermosiphons ist im Allgemeinen
ein Halogenkohlenwasserstoff-Fluid das in einer geschlossenen Schleife
zwischen dem Verdampfungs- und dem Kondensationsabschnitt zirkuliert.
Das eingeschlossene Arbeitsfluid ändert seinen Zustand in dem
Verdampfungsabschnitt von flüssig zu
dampfförmig,
wenn es Wärme
von der Wärme
entwickelnden Vorrichtung absorbiert. Ein umgekehrter Übergang
des Ar beitsfluids von dampfförmig
zu flüssigen
erfolgt, wenn es Wärme
an ein Kühlfluid,
z. B. Luft, zurück
abgibt, das an einer äußeren gerippten Fläche des
Kondensationsabschnittes strömt.
Der Thermosiphon beruht ausschließlich auf der Schwerkraft für die Bewegung
des Arbeitsfluids zwischen dem Verdampfungs- und dem Kondensationsabschnitt.
Wie für
die Bewegung des Kühlfluids
an der Außenfläche des
Kondensationsabschnittes ist eine fluidbewegende Vorrichtung wie
z. B. ein Axialventilator verwendet.
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Den
meisten Elektronikvorrichtungen ist ein hohes Maß an Unregelmäßigkeit
eigen. Ein Wärmemanagement
dieser Vorrichtungen unterliegt zwei Rahmenbedingungen, die der
Wärmetechniker
berücksichtigen
muss. Erstens ist der von der Elektronikvorrichtung erzeugte Wärmefluss
in hohem Maß unregelmäßig. Zweitens
ist die durch die luftbewegende Vorrichtung wie z. B. einen Axialventilator
zirkulierte Luft sehr ungleichmäßig verteilt.
Bei den meisten Computerchips ist ihre Wärmeentwicklung in einem sehr
kleinen Gebiet im Kern des Chips konzentriert. Beispielsweise ist
bei einem typischen 40 × 40
mm2 Computerchip 80 % seines gesamten Wärmeflusses
in seiner mittleren 10 × 10
mm2-Fläche konzentriert.
Die Wärmeflussverteilung
in einer typischen Elektronikvorrichtung ist in 4 schematisch gezeigt.
Die zweite Unregelmäßigkeit
ist auf die Befestigung der luftbewegenden Vorrichtung wie z. B. eines
an der Außenseite
des Thermosiphons befestigten Axialventilators zurückzuführen. Ein
Axialventilator besitzt eine große Nabe, die als eine Sperre
für die
Luftströmung
wirkt. Der Luftstrom, der aus dem Axialventilator austritt, ist
im Randbereich der Ventilatorflügel
hoch konzentriert, wie in 5 gezeigt. Die
maximale Luftgeschwindigkeit findet sich im Spitzenbereich der Ventilatorflügel. Im
Bereich der zentralen Nabe fällt
die Geschwindigkeit scharf auf null ab. Unter (einem) bestimmten
Strömungsbedingungen
und Flügelwinkel
kann die Geschwindigkeit an einer Stelle am Fuß des Ventilatorflü gels sogar
negativ, d. h. entgegengesetzt zu der Richtung der vorherrschenden
Luftströmung
werden.
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Die
Ungleichmäßigkeit
einer Luftströmung
ist noch deutlicher in einem Schubmodus ausgeprägt, bei dem der Ventilator
relativ kühlere
Umgebungsluft in den Wärmetauscher
bläst.
Im Zugmodus hingegen saugt der Ventilator relativ wärmere Luft
aus dem Wärmetauscher.
Für einen
Schubmodus bei einer hohen Wärmebelastung
ist es vorteilhaft, wenn der Luftdurchsatz gering ist. Um ein flacheres
Profil der Luftströmung,
die in die Wärmetauscherfläche eintritt,
zu erreichen, ist ein Sicherheitsabstand des zumindest 3-fachen
des Nabendurchmessers zwischen dem Ventilator und dem Wärmetauscher
vorzuziehen. Auf Grund von Packaging-Einschränkungen steht jedoch typischerweise
ein Sicherheitsabstand zwischen dem Ventilator und dem Wärmetauscher von
nur etwa einem Fünftel
bis zu einem Viertel des Nabendurchmessers zur Verfügung. Dies
deshalb, da die Luftströmung
an der Wärmetauscherfläche ungleichmäßig ist.
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Eine
Begrenzung des Axialventilators bezüglich der Kleinheit des Druckanstieges über den
Ventilator ist zu beachten. Die Kurve der durch den Ventilator entwickelten
Druckhöhe
fällt sehr
schnell ab, wenn der Volumenstrom von Luft zunimmt. Anders ausgedrückt kann
die Luft, die aus einem Axialventilator austritt, keine hohe Druckdifferenz
durch die Rippen aufrechterhalten. Daher ist ein Management der
Luftströmung
bei einer geringen Druckdifferenz durch den Kühlkörper eine sehr wichtige Überlegung bei
der Planung eines Thermosiphons.
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Aus
den vorhergehenden Überlegungen
ist ersichtlich, dass vom Standpunkt einer Vorrichtung der Computerchip,
ein Kühlkörper und
eine Ventilatoranordnung nicht nur durch einen sehr ungleichmäßigen Wärmefluss
sondern auch durch eine ungleichmäßige Luftströmung einge schränkt ist,
die in der Lage ist, eine geringe Druckdifferenz über den Wärmetauscher
aufrechtzuerhalten. Idealerweise sollte die Luftströmung stark
in Gebieten mit einem hohen Wärmefluss
und schwach in Gebieten mit einem geringen Wärmefluss sein. Wenn man die 4 und 5 im Schubmodus übereinanderlegt, zeigt sich deutlich,
dass die Luftströmungsverteilung
der für eine
bessere Wärmeübertragung
idealerweise gewünschten
entgegengesetzt ist. Dies ist für
die Funktion eines Computerchips nachteilig, da die Chip-Anschlusstemperatur
auf Grund einer unzureichenden lokalen Wärmeabfuhr von dem Kern des
Chips hoch wird. Der auf diese Ungleichmäßigkeiten zurückzuführende Nachteil
bei der Kühlleistung
kann in der Größenordnung
von 25 bis 50 % im Vergleich zu dem Fall eines gleichmäßigen Wärmeflusses
und einer gleichmäßigen Luftströmung liegen.
Somit wird eine thermische Lösung
eine beträchtlich
größere Herausforderung,
wenn sowohl der Wärmefluss
als auch die Luftströmung
ungleichmäßig sind.
Die Schwierigkeit ist vergrößert, wenn
der zur Verfügung
stehende Luftdurchsatz gering ist. Daher ist besonders auf die Fluidströmungs- und
Wärmeübertragungs-Randbedingungen
zu achten, wenn die thermischen Lösungen für die Computerchips entwickelt
werden.
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Die
kompakten Thermosiphone, die in ein Computergehäuse passen sollen, erfordern
es, dass Siede- und Kondensationsprozesse in enger Nähe zueinander
ablaufen, was gegensätzliche
thermische Zustände
in einem relativ kleinen Volumen mit sich bringt. Dies bringt beträchtliche
Herausforderungen bezüglich
des Prozesses einer Optimierung der Thermosiphonleistung mit sich.
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Somit
ist ein Thermosiphon-Optimierungsprozess erwünscht, um die Prozesse des
Siedens, der Kondensation und der konvektiven Wärmeübertra gung an der Außenfläche des
Kondensators zu intensivieren, während
eine geringe luftseitige Druckdifferenz erhalten bleibt.
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Die
US-A-5 647 430 offenbart
eine Kühleinheit
für elektronische
Komponenten, bei der ein Behälterabschnitt
ein Kältemittel
beherbergt und ein Rohr dieses Kältemittel
zu einer Kühlplatte
transportiert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kondensator gemäß Anspruch
1 vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlkörperanordnung
gemäß Anspruch
22 vorgesehen.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlkörperanordnung zum Kühlen einer
elektronischen Vorrichtung. Die Kühlkörperanordnung umfasst einen
Ventilator, der in einer Verkleidung untergebracht ist, wobei der
Ventilator eine Nabe und Ventilatorflügel aufweist, die sich davon
weg erstrecken, um eine axial gerichtete Luftströmung durch die Verkleidung
hindurch zu bewirken, sodass der Ventilator mit dem Kondensator
ausgerichtet ist, um die axiale Luftströmung hierdurch zu lenken. Der
Thermosiphon umfasst einen Verdampfer, der einen Verdampfungsraum
definiert, welcher ein Arbeitsfluid darin enthält, und ferner einen Kondensator
umfasst, der darauf befestigt ist. Der Kondensator umfasst eine Vielzahl
von Rohren, die eine Rohrgruppierung definieren. Jedes Rohr weist
eine Öffnung
in Fluidverbindung mit dem Verdampfer auf, um einen Dampf des Arbeitsfluides
aufzunehmen und zu kondensieren, der von dem Verdampfer empfangen
wird. Die Rohre sind axial mit der Luftströmung ausgerichtet und seitlich
derart positioniert, dass eine seitliche Breite der Rohr gruppierung
annähernd
gleich einer Breite der Nabe und im Wesentlichen in seitlicher Ausrichtung damit
ist.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kondensator für eine Kühlkörperanordnung
zum Kühlen
einer elektronischen Vorrichtung. Die Kühlkörperanordnung umfasst eine
Basis mit einem daran befestigten oberen Gehäuse, wobei das obere Gehäuse offene
Enden aufweist. Ein Ventilator ist an einem der offenen Enden befestigt,
wobei der Ventilator eine Nabe und Ventilatorflügel aufweist, die sich davon
weg erstrecken, um eine axial gerichtete Luftströmung durch das Gehäuse hindurch
bei einer Drehung der Ventilatorflügel zu bewirken. Eine Vielzahl
von Rohren ist innerhalb des Gehäuses
zum Übertragen
eines Dampfes eines Arbeitsfluides hierdurch positioniert. Die Rohre
definieren eine Rohrgruppierung, sodass die Rohre in axialer Ausrichtung mit
dem Ventilator ausgerichtet und seitlich derart positioniert sind,
dass eine seitliche Breite der Rohrgruppierung annähernd gleich
einer Breite der Nabe und im Wesentlichen in seitlicher Ausrichtung
damit ist.
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Diese
und weitere Vorteile der Erfindung werden für einen Fachmann durch Bezugnahme
auf die nachfolgende/n Spezifikation und Ansprüche in schriftlicher Form und
die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich und offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Darstellung einer Kühlkörperanordnung, die die vorliegende
Erfindung enthält,
wobei ein Axialventilator derart angeordnet ist, dass er Kühlluft durch
einen Thermosiphon hindurch zieht.
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2 ist
eine Querschnittsansicht im Aufriss des in 1 gezeigten
Thermosiphons entlang der Linie 2-2.
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3 ist
ein vergrößertes Segment
der Querschnittsansicht der in 2 gezeigten
Siedeplatte.
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4 ist
eine typische Wärmeflussverteilung einer
elektronischen Vorrichtung, die eine Kühlung benötigt.
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5A ist
eine typische Luftgeschwindigkeitsverteilung genau unterstromig
des Axialventilators, der in Verbindung mit einem Thermosiphon im Schubmodus
verwendet wird.
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5B ist
eine typische Luftgeschwindigkeitsverteilung genau oberstromig des
Axialventilators, der in Verbindung mit einem Thermosiphon im Zugmodus
verwendet wird.
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6 ist
eine Querschnittsansicht im Aufriss eines Thermosiphons gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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7 ist
eine Querschnittsansicht im Aufriss eines Thermosiphons gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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8 ist
eine Querschnittsansicht im Aufriss eines Thermosiphons gemäß einer
vierten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Für die Beschreibung
hierin sollen sich die Ausdrücke „obere/s/r", „untere/s/r", „linke/s/r", „hintere/s/r", „rechte/s/r", „vordere/s/r", vertika le/s/r", „horizontale/s/r" und Ableitungen
davon auf die Erfindung wie in 2 orientiert
beziehen. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die Erfindung verschiedene
alternative Orientierungen und Stufenfolgen annehmen kann, außer, wenn
ausdrücklich
das Gegenteil angegeben ist. Es sollte auch einzusehen sein, dass
die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulichten und in der
nachfolgenden Spezifikation beschriebenen spezifischen Vorrichtungen
und Prozesse einfach beispielhafte Ausführungsformen der in den beiliegenden
Ansprüchen
definierten erfinderischen Konzepte sind. Somit sind spezifische
Maße und
andere physikalische Eigenschaften, die sich auf die hierin offenbarten
Ausführungsformen
beziehen, nicht als einschränkend
zu betrachten, es sei denn, die Ansprüche erklären ausdrücklich etwas anderes.
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Wendet
man sich den Zeichnungen zu, so zeigt 1 einen
luftgekühlten
Thermosiphon-Kühlkörper 10,
der eine der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist und ihre verschiedenen Komponenten
veranschaulicht.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ist ein einziger Axialventilator 14 in
einer Verkleidung 16 untergebracht und durch einen Kanal 18 mit
dem Thermosiphon 12 verbunden. Der Ventilator 14 könnte ein Zug-
oder Schubventilator sein, ein Zugventilator wird jedoch bevorzugt,
um eine Abschattung des Thermosiphons 12 durch die Ventilatornabe 15 zu
minimieren. Der Abschattungseffekt der Nabe 15 tritt über eine
durch ein Maß „H" bezeichnete seitliche Breite 55 und
im Wesentlichen an einer Mitte des Thermospihons 12 auf.
Der Abschattungseffekt der Nabe 15 ist bei einem Schubventilator
größer als
bei einem Zugventilator und verringert die Luftströmung hinter
der Nabe und stört
dadurch die Wärmeübertragung
von dem Thermosiphon 12 zu dem kühlenden Luftstrom.
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Auch
wenn der Axialventilator 14 als Zugventilator ausgebildet
ist und dadurch den Abschattungseffekt minimiert, veranschaulichen
die 4, 5A und 5B die
Unterschiede zwischen der Wärmeverteilung
der zu kühlenden
Vorrichtung 8 und den Bereichen einer maximalen Luftströmung des
Ventilators 14. Wie in 4 gezeigt,
nähert
sich die Wärmeverteilung
der Vorrichtung 8 einer Glockenkurve, wobei die größte Wärme im Bereich
oberhalb der Mitte der Vorrichtung 8 auftritt. Im Gegensatz
dazu erscheint der Bereich einer maximalen Luftströmung im Zugmodus,
wie in 5A veranschaulicht, als ein Reziprok
der Wärmeverteilung,
nämlich
mit einer minimalen Luftströmung
in der Mitte und einer maximalen Luftströmung an dem äußersten
Abschnitt des Ventilators. In gleicher Weise veranschaulicht 5B,
dass die Luftströmung
im Zugmodus ähnlich der
in 5A veranschaulichten Luftströmung des Zugmodus ist. Daher
erzeugt der Ventilator ohne jegliche Verbesserungen eine maximale
Luftströmung über den
Gebieten mit minimaler Wärme
und eine minimale Luftströmung über den
Gebieten mit maximaler Wärme.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Thermosiphons 12.
Der Thermosiphon 12 umfasst einen Verdampfer 20 und
einen darauf befestigten Kondensator 22.
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Der
Verdampfer 20 umfasst eine Grundplatte 26 mit
einer durch ein Maß „t" bezeichneten Dicke 25 und
Seitenwänden 24 um
einen Umfang der Grundplatte 26 herum. Die Dicke 25 „t" der Verdampfergrundplatte 26 wird
geeigneterweise auf der Basis einer Analyse der besonderen Überlegungen
hinsichtlich Siede- und Wärmeübertragung
für eine
gewünschte
Anwendung gewählt.
Eine elektronische Vorrichtung 8 mit einer durch ein Maß „z" bezeichneten mittleren
Breite 9 ist an der unteren Fläche 27 der Grundplatte 26 unter
Verwendung eines wärmeleitenden
Klebstoffes, auch als „Wärmeleitpaste" bekannt, befestigt.
Die untere Fläche 27 ist
vorzugs weise zum Befestigen der elektronischen Vorrichtung 8 poliert,
um den Wärmekontakt
von der Vorrichtung 8 zu der Grundplatte 26 zu
verbessern.
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Eine
obere Fläche
der Grundplatte 26 definiert eine Siedefläche 31 und
kann eine Vielzahl von Stehrippen 28 aufweisen, die darauf
ausgebildet sind. Die Stehrippen 28 sind vorzugsweise als
ein integrales Teil der Grundplatte 26 für eine maximale Wärmeübertragung
maschinell gearbeitet. Die Siedefläche 31 der Grundplatte 26 kann
auch eine darauf abgeschiedene Oberflächenbeschichtung 30 aufweisen,
um die Siedeeigenschaften der Siedefläche 31 zu erhöhen. Die
Oberflächenbeschichtung 30 kann
ein gesintertes Metallpulver aus Aluminium oder Kupfer umfassen.
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Die
Seitenwände 24 weisen
eine durch ein Maß „h" bezeichnete Höhe 37 auf
und besitzen eine Unterseite, die an der Grundplatte 26 befestigt
ist. Die Seitenwände 24 können auch
mit der Grundplatte 26 integral als eine einzige Struktur
ausgebildet sein. Eine obere Fläche
der Seitenwände 24 definiert einen
oberen horizontalen Flansch 29 um den Umfang des Verdampfers 20 herum,
an dem die Basis 32 des Kondensators 22 befestigt
ist, wodurch ein Verdampfungsraum 36 definiert ist. Die
Höhe des Verdampfungsraumes 36 ist
ebenfalls durch ein Maß „h" dargestellt. Die
Basis 32 ist mit dem Flansch 29 vorzugsweise durch
entweder Löten,
Schweißen oder
Diffusionsverbinden befestigt, um einen dichten Raum 36 zu
bilden. Die Flanschverbindung zwischen den Seitenwänden 24 und
der Basis 32 können
mithilfe einer Zapfennut-Passung der vorstehenden und der vertieften
Seite des Flansches vor dem Löten oder
Schweißen
verbessert werden. Eine gute Verbindung kann auch mithilfe von Schrauben
um den Umfang (nicht gezeigt) verbessert werden, die die Basis 32 an
den Seitenwänden 24 befestigen.
Die Schrauben sorgen für
eine zusätzliche
Verstärkung und
verhindern eine Undichtigkeit bei hohem Druck. Der Ver dampfungsraum 36 ist
mit einem Arbeitsfluid 38 durch eine Füllöffnung 40 in der Basis 32 gefüllt. Der
Raum 36 dient auch als Verteiler, um gesättigten oder überhitzten
Dampf in die Haarnadel-Kondensatorrohre 44 zu verteilen.
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Der
Kondensator 22 umfasst eine Basis 32 und zwei
Haarnadel-Kondensatorrohre 44.
Die Haarnadelrohre 44 sind in einer umgedrehten „U"-Form gebildet, wobei
jeder Schenkel davon ein entsprechendes Einlassende 43 aufweist,
das sich durch die Basis 32 in den Dampfraum 36 hinein
erstreckt. Die Einlassenden 43 sind offen und ordnen ein
inneres der Rohre 44 in Fluidverbindung mit dem Verdampfungsraum 36 an.
Auf diese Weise kann Arbeitsfluiddampf, der infolge eines Siedens
auf der Siedefläche 31 gebildet
wird, in beide Enden der Haarnadelrohre 44 eintreten und
darin für
die endgültige
Abfuhr von Wärme
aufsteigen. Jedes von den Haarnadelrohren 44 weist eine
durch ein Maß „a" bezeichnete Breite 45 und
einen durch das Maß „R" bezeichneten Krümmungsradius 48 an
einem oberen Ende davon auf; und ist über dem Bereich eines hohen
Wärmeflusses q
der Vorrichtung 8 positioniert. Der Radius 48 (R)
ist derart gewählt,
dass die Rohre 44 und ihre jeweiligen Schenkel eine Rohrgruppierung
hinter der Ventilatornabe 15 innerhalb eines durch ein
Maß „H" bezeichneten Durchmessers 55 der
Nabe 15 bilden. Somit befinden sich die Haarnadelrohre 44 im
Sog der Nabe 15 in der Mitte des Thermosiphons 12 und
dienen primär
als Kanäle
für einen
Dampfstrom zwischen dem Verdampfer 20 und dem Kondensator 22.
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Die
Rohre 44 weisen eine durch ein Maß „e" bezeichnete minimale seitliche Rohrbeabstandung 46 auf.
Die Eigenschaften der Basis 32 und der minimal zulässige Abstand
zum Bilden von Schlitzen, um die Rohrenden darin aufzunehmen, bestimmen
die Rohrbeabstandung 46. Die Beabstandung 46 (e)
zwischen den Rohren 44 dient als ein rechteckiger Kanal 60 mit
einem hohen Aspektverhältnis
und einem Querschnitt e × D,
wobei D die Tiefe der Rohre entlang der Richtung der axialen Luftströmung durch den
Thermosiphon 12 ist. Der zentrale Kanal 60 besitzt
eine geringe luftseitige Druckdifferenz im Vergleich mit Rippen
und einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten,
der sich jenem von zwei unendlichen parallelen Platten annähert. Die
Luftströmung durch
den zentralen Kanal 60 dient dazu, etwas von dem Dampf
auf der bloßen
Seite der Rohre 44 zu kondensieren, obwohl der Großteil der
Kondensation auf der gerippten Seite der Rohre 44 schief
ist ist.
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Zwei
Arten von Rippen werden in dem Kondensator 22 des Thermosiphons 12 verwendet.
Erste Rippen 50 mit einer durch ein Maß „q" bezeichneten seitlichen Ausdehnung 51 sind
absichtlich außerhalb der
Rohre 44 angeordnet und im Wesentlichen in einer Linie
mit den Ventilatorflügeln
des Axialventilators 14, wo die Luftströmung stark ist. Zweite Rippen 52 mit
einer durch ein Maß „p" bezeichneten seitlichen
Ausdehnung 53 sind im Strömungsgebiet direkt hinter der
Nabe 15 zwischen den Schenkeln eines jeden Haarnadelrohres 44 angeordnet.
Die Rippen 50 und 52 besitzen allgemein eine gewellte
Faltenkonfiguration und ihre Scheitel sind mit der Oberfläche der Rohre 44 oder
des Gehäuses 34,
mit dem sie in Kontakt stehen, verbunden. Das Gehäuse 34 umgibt
die Rohre 44, die ersten Rippen 50 und die zweiten
Rippen 52, um die Luftströmung von dem Ventilator 14 darüber zu leiten
und aufrecht zu erhalten.
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Das
bevorzugte Arbeitsfluid des Thermosiphons 12 ist ein Fluid
wie z. B. entmineralisiertes Wasser, Methanol oder ein Halogenkohlenwasserstoff
wie z. B. R134a (C2H2F4). Für
einen Thermosiphon 12, der R134a als Arbeitsfluid 38 verwendet, können sowohl
der Verdampfer als auch der Kondensator aus Aluminium hergestellt
sein. Allerdings kann im Hinblick auf die korrosive Wirkung von
Wasser auf Aluminium im Laufe der Zeit ein Aluminiumverdampfer oder – kondensator
nicht verwendet werden, wenn Wasser das Arbeitsfluid ist. Ein Aufbau
ganz aus Aluminium besitzt den Vorteil von reduzierten Herstellungskosten.
Auf Grund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit
bietet Aluminium einen höheren
Wärmeleitwiderstand
im Vergleich zu Kupfer. Daher ist ein Verdampfer 20, der
aus Aluminium aufgebaut ist, nicht geeignet, wenn der durch die
Elektronikvorrichtung 8 erzeugte Wärmefluss sehr hoch ist. Kupfer
ist das bevorzugte Material des Aufbaus für den Verdampfer 20,
wenn der durch die Elektronikvorrichtung 8 erzeugte Wärmefluss
sehr hoch ist. Kupfer besitzt auch den Vorteil, dass es sowohl für R134a
als auch für
Arbeitsfluide 38 auf Wasserbasis verwendet werden kann,
während
Aluminium im Allgemeinen nur für
ein R-134a Arbeitsfluid geeignet ist.
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Auf
der Basis einer theoretischen und experimentellen Studie wurden
die folgenden Maßbeziehungen
des Thermosiphons 12 als optimal ermittelt: das Verhältnis der
Breite 45 der Rohre 44 zu dem Nabendurchmesser 55 des
Ventilators 14 ist durch die Beziehung 0,08 ≤ a/H ≤ 0,25 ausgedrückt; das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 53 der zweiten Rippen 52 zu
dem Nabendurchmesser 15 des Ventilators 14 ist
durch die Beziehung 0,125 ≤ p/H ≤ 0,5 ausgedrückt; das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 51 der ersten Rippen 50 zu
dem Durchmesser 55 der Nabe 15 des Ventilators 14 ist
durch die Beziehung 0,15 ≤ q/H ≤ 0,5 ausgedrückt; und
das Verhältnis
der Höhe 37 des
Dampfraumes 36 zu der Höhe 57 der
Rohre 44 ist durch die Beziehung 0,075 ≤ h/L ≤ 0,25 ausgedrückt. Die lineare Rippendichte eines
jeden Rippenstreifens liegt im Bereich von 8 Rippen pro Zoll bis
20 Rippen pro Zoll.
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Im
Gebrauch, während
die Vorrichtung 8 Energie und somit Wärme erzeugt, wird die Wärme zu der
Grundplatte 26 übertragen.
Wenn die Temperatur der Grundplatte und insbesondere der Stehrippen 28 ansteigt, wird
die Fläche 30 ausreichend
warm, um zu bewirken, dass das Arbeitsfluid, das die Grundplatte 26 bedeckt,
Blasen bildet oder siedet. Der Arbeitsfluiddampf steigt auf und
tritt in die Haarnadel-Kondensatorrohre 44 ein. Der erhitzte
Dampf gelangt mit den Seitenwänden
der Rohre 44 in Kontakt und überträgt die Wärmeenergie in dem Dampf an die
Wände der
Rohre 44 und danach durch Konduktion an die gewellten Rippen 50 und 52.
Der Axialventilator 14 bewirkt, dass Kühlluft primär durch die gewellten ersten
Rippen 50 und sekundär
durch die zweiten Rippen 52 und den Kanal 60 strömt und konvektiv
Wärme davon
abzieht. Durch Entfernen einer Wärmeenergie
aus dem Dampf wird der Dampf unter seine Kondensationstemperatur
abgekühlt
und kondensiert an den inneren Wänden
der Rohre 44. Die kondensierte Flüssigkeit sammelt an und fällt zurück durch
die Rohre 44 in das Reservoir von Arbeitsfluid in dem Dampfraum 38,
wonach der Prozess wiederholt wird.
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Wendet
man sich nun 6 zu, ist eine weitere Ausführungsform 112 eines
Thermosiphons veranschaulicht, wobei gleiche Merkmale gemäß der vorhergehenden
Ausführungsform
mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, vor denen die Ziffer „1" steht. Bei der Beschreibung
des Thermosiphons 112 von 6 werden
nur jene Komponenten, die sich von den Komponenten des Thermosiphons 12 von 2 unterscheiden,
unten stehend beschrieben, da die gemeinsamen Komponenten bereits
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurden.
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In
der Ausführungsform
von 6 werden zwei verschiedene Rohrhöhen verwendet,
um das durch die Ventilatornabe 15 abgeschattete Gebiet
für eine
Dampfströmung
zu nutzen. Ein Haarnadelrohr 144 weist eine durch ein Maß „a" bezeichnete Breite 145 auf
und ist zu einem durch ein Maß „R" bezeichneten kleinen
Radius 148 gebogen. Das Haarnadelrohr 144 ist
im Wesentlichen über
dem Gebiet mit dem höchsten
Wärmefluss
q (der Mitte) der Vorrichtung 108 angeordnet. Der dazwischen
liegende Raum zwischen den innersten Rohrsegmenten des Haarnadelrohrs 144 ist
mit dritten gewellten Rippen 172 gefüllt, die eine durch ein Maß „n" bezeichnete seitliche
Ausdehnung 173 aufweisen. Ein breites Rohr 170 besitzt
eine etwas größere Höhe als das Haarnadelrohr 144 und
ist derart ausgebildet, dass es das Haarnadelrohr 144 innerhalb
seiner umgedrehten U-Form
umhüllt.
Enden 169 des Rohres 170 erstrecken sich durch
die Basis 132, sodass ein Inneres des Rohres 170 in
Fluidverbindung mit dem Dampfraum 136 durch beide Enden 169 steht.
Das breite Rohr 170 weist eine durch ein Maß „b" bezeichnete Breite 171 auf,
die im Allgemeinen größer und somit
weniger einengend als die Breite 145 des Rohres 144 ist.
Zweite Rippen 152 mit einer durch das Maß „p" bezeichneten seitlichen
Ausdehnung 153 erstrecken sich zwischen benachbarten Schenkeln
der Rohre 144 und 170. Das Umhüllen des Rohres 144 durch
das Rohr 170 auf diese Weise hilft dabei, die strukturelle
Integrität
bei einem hohen Innendruck zu erhalten und erleichtert auch die
Herstellung.
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Indem
die dritte gerippte Welle 172 mit einer seitlichen Ausdehnung 173 und
das Rohr 144 mit einem kleinen Krümmungsradius 148 gewählt werden, kann
das breite Rohr 170 relativ eng an der Vorrichtung 108 gehalten
werden. Die Oberseite des breiten Rohres 170 kann auch
von der Horizontalen abgewinkelt sein, um einen Kondensataufbau
zu verhindern und somit immer die Rückkehr des Kondensats von der
Oberseite des Rohres 170 zu dem Raum 136 sicherzustellen.
Die Größe des Haarnadelrohres 144 mit
einem Krümmungsradius 145 und
der kurzen seitlichen Ausdehnung 173 der Rippen 172 wird
im Speziellen gewählt,
um die geringe Luftströmung
in dem Gebiet der Nabe 115 zu nutzen. Eine strategische
Anordnung des breiten Rohres 170 an der Außenseite
des Rohres 144, jedoch innerhalb der Breite 155 der
Ventilatornabe 115, ermöglicht
eine Wärmeabfuhr
durch die ersten Rippen 150. Der Großteil des in dem Verdampfungsraum 138 erzeugten
Dampfes strömt
durch das weniger einengende breite Rohr 170 mit einem
größeren Querschnitt
und somit mit einem geringeren Strömungswiderstand. Die ersten Rippen 150 sind
mit dem breiten Rohr 170 und mit der Verkleidung 134 verbunden
und im Sog der Ventilatorflügel
des Ventilators 114 positioniert, wodurch eine gute Luftströmung und
eine geringere luftseitige gesamte Druckdifferenz sichergestellt
ist. Auf diese Weise werden die Rippen 150 in dem Umfang
des Thermosiphons 112 angeordnet und werden verwendet,
um den Großteil
der latenten Wärme
von dem durch das Rohr 170 transportierten Dampf abzuführen.
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Für die in 6 als
Thermosiphon 112 veranschaulichte Ausführungsform und durch sorgfältige Konstruktions-
und Testiterationen wurde festgelegt, dass die Vorteile der vorliegenden
Erfindung am besten innerhalb der folgenden Bereiche der Schlüsselmaße realisiert
werden: Das Verhältnis
der Breite 145 des Rohres 144 zu dem Nabendurchmesser 155 des
Ventilators 144 ist durch die Beziehung 0,08 ≤ a/H ≤ 0,2 ausgedrückt. Die
Breite des breiten Rohres 170 zu dem Nabendurchmesser 150 ist
durch die Beziehung 0,125 ≤ b/H ≤ 0,5 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 153 der dritten Rippen 152 zu
dem Nabendurchmesser 155 des Ventilators 114 ist
durch die Beziehung 0,08 ≤ n/H ≤ 0,4 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 151 der ersten Rippen 150 zu
dem Durchmesser 155 der Nabe 115 ist durch die
Beziehung 0,2 ≤ q/H ≤ 0,5 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 153 der zweiten Rippen 152 zu
dem Durchmesser 155 der Nabe 115 ist durch die
Beziehung 0,08 ≤ b/H ≤ 0,375 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der Höhe 137 des
Verdampfungsraumes 136 zu der Höhe 157 der Rohre 144 ist
durch die Beziehung 0,075 ≤ h/L ≤ 0,25 ausgedrückt. Die
lineare Rippendichte eines jeden Rippenstreifens liegt im Bereich
von 8 Rippen pro Zoll bis 20 Rippen pro Zoll.
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Wendet
man sich nun 7 zu, so ist eine weitere Ausführungsform
212 eines Thermosiphons veranschaulicht, wobei gleiche Merkmale
gemäß der vorhergehenden
Ausführungsform
mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, vor denen die Ziffer „2" steht. Bei der Beschreibung
des Thermosiphons 212 von 7 werden
nur jene Komponenten, die sich von den Komponenten der vorherigen
Ausführungsformen
der 2 und 6 unterscheiden, unten stehend
beschrieben, da die gemeinsamen Komponenten bereits unter Bezugnahme
auf vorhergehende Ausführungsformen
beschrieben wurden.
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Die
in 7 veranschaulichte Ausführungsform verwendet zwei Haarnadelrohre 244 innerhalb eines
breiten Rohres 270. Die Haarnadelrohre 244 sind
direkt über
der Vorrichtung 208 positioniert, wo das Gebiet des maximalen
Wärmeflusses
q festgestellt wird. Das breite Rohr 270 umfasst beide
Haarnadelrohre 244 und erstreckt sich allgemein über die Breite
des Ventilators 214. Der Thermosiphon 212 berücksichtigt
die Ungleichmäßigkeit
der Luftströmung
in vollem Ausmaß.
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Die
Rippengrößen wie
auch die linearen Rippendichten werden derart geändert, dass sie mit der durch
den Ventilator induzierten Luftströmung übereinstimmen. Dritte Rippen 272 mit
einer durch ein Maß „n" bezeichneten seitlichen
Ausdehnung 273 sind zwischen zwei eng beabstandeten Haarnadelrohren 244 angeordnet.
Zweite Rippen 252 sind mittelgroß und weisen eine durch ein
Maß „p" bezeichnete seitliche
Ausdehnung 253 auf und sind innerhalb der Schenkel eines
jeden Haarnadelrohres 244 angeordnet. Erste Rippen 250 mit
einer durch ein Maß „q" bezeichneten seitlichen
Ausdehnung 251 sind zwischen den Haarnadelrohren 244 und
dem breiten Rohr 270 in dem Gebiet angeordnet, das der maximalen
Luftströmung
von dem Ventilator 214 entspricht. Äußere Rippen 280 erstrecken
sich zwischen dem Rohr 270 und der Verkleidung 234 außerhalb des
Pri märluftstromes
des Ventilators 214. Die Rippen 280 sind mittelgroß und weisen
eine durch ein Maß „r" bezeichnete seitliche
Ausdehnung 281 auf.
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Diese
Konstruktion ist geeignet für
eine hohe Wärmebelastung
wie auch für
einen hohen Wärmefluss.
Durch Verwendung ungleichmäßiger Rippengrößen wird
die durch die strömende
Luft von dem Ventilator 214 erfasste Druckdifferenz vorzugsweise zum
Transport von Abwärme
genutzt. Wenn die Größe und Dichte
der Rippen gleichmäßig wären, wäre die Druckdifferenz
noch immer aufgetreten, die Wärmeaufnahme
wäre jedoch
auf Grund einer verringerten Verfügbarkeit eines Dampfdurchsatzes
am Rand geringer gewesen. Indem kleine Biegungsradien und Rippen
mit einer entsprechend relativ geringen seitlichen Ausdehnung gewählt werden,
wird zugelassen, dass sich ein Maximum eines Rohrraumes direkt über dem
Kern der Wärme
entwickelnden Vorrichtung 208 konzentriert. Auf diese Weise
werden die Rohreintrittsverluste für eine Dampfströmung minimiert
und dadurch eine dampfseitige geringe Gesamtdruckdifferenz aufrecht
erhalten. Wie aus 7 offensichtlich, sind die Rohre 244 hinter
der Ventilatornabe 215 gebündelt und ein beträchtlicher
Abschnitt des gerippten Bereiches ist hinter den Flügeln des
Ventilators 214 angeordnet. Eine zusätzliche Modulation der Luftströmung, um
das Wärmeflussprofil qualitativ
nachzuahmen, kann erreicht werden, indem die Rippendichte in der
Mitte verringert wird und die Rippendichte am Rand erhöht wird.
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Für die in 7 als
Thermosiphon 212 veranschaulichte Ausführungsform und durch sorgfältige Konstruktions-
und Testiterationen wurde festgelegt, dass die Vorteile der vorliegenden
Erfindung am besten innerhalb der folgenden Bereiche der Schlüsselmaße realisiert
werden: Das Verhältnis
der Breite 245 des Rohres 244 zu dem Nabendurchmesser 255 des
Ventilators 214 ist durch die Beziehung 0,08 ≤ a/H ≤ 0,25 ausgedrückt. Die
Breite 271 des breiten Rohres 270 zu dem Nabendurchmesser 255 ist
durch die Beziehung 0,08 ≤ b/H ≤ 0,2 ausgedrückt. Das Verhältnis der
seitlichen Ausdehnung 253 von zweiten Rippen 252 zu
dem Nabendurchmesser 255 des Ventilators 214 ist
durch die Beziehung 0,1 ≤ p/H ≤ 0,3 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 281 von äußeren Rippen 280 zu
dem Durchmesser 255 der Nabe 215 ist durch die
Beziehung 0,1 ≤ r/H ≤ 0,2 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 251 von ersten Rippen 250 zu dem
Durchmesser 255 der Nabe 215 ist durch die Beziehung
0,2 ≤ q/H ≤ 0,4 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der Höhe 237 des
Verdampfungsraumes 236 zu der Höhe 257 der Rohre 244 ist
durch die Beziehung 0,075 ≤ h/L ≤ 0,25 ausgedrückt. Die
lineare Rippendichte eines jeden Rippenstreifens liegt im Bereich von
8 Rippen pro Zoll bis 20 Rippen pro Zoll.
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Wendet
man sich nun 8 zu, so ist eine weitere Ausführungsform 312 eines
Thermosiphons veranschaulicht, wobei gleiche Merkmale gemäß der vorhergehenden
Ausführungsform
mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, vor denen die Ziffer „3" steht. Bei der Beschreibung
des Thermosiphons 312 von 8 werden
nur jene Komponenten, die sich von den Komponenten der vorherigen
Ausführungsformen
der 2 und 6–7 unterscheiden,
unten stehend beschrieben, da die gemeinsamen Komponenten bereits
unter Bezugnahme auf vorhergehende Ausführungsformen beschrieben wurden.
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Wie
in 8 veranschaulicht, wurde das Haarnadelrohr 144 des
Thermosiphons 112, wie in 6 veranschaulicht,
zu einem einzigen zentralen Stammrohr 396 in dem Thermosiphon 312 kombiniert.
Das einzelne Rohr 396 reduziert die Anzahl von Schweißverbindungen
und reduziert dadurch die Möglichkeit
eines Austritts des Arbeitsfluids aus dem Thermosiphon 312,
da das Rohr 396 nur einen Einlass 395 aufweist,
der sich durch die Basis 332 in den Verdampfungsraum 336 hinein
erstreckt. Der Thermosiphon 312 verwendet verschiedene
Rohr- und verschiedene Rippengrößen. Das
zentrale Stammrohr 396 weist eine durch ein Maß „c" bezeichnete Breite 397 mit
einem breiteren Querschnitt als das vorhergehende Rohr 44 auf.
Das zentrale Stammrohr 396 ist zentral hinter der Ventilatornabe 315 und
direkt über
dem Gebiet mit einem hohen Wärmefluss der
Vorrichtung 308 angeordnet. Das Rohr 396 ist an seiner
Oberseite abgedichtet. Das breite Rohr 370 weist eine durch
ein Mai „b" bezeichnete Breite 371 auf
und ist derart gebildet, dass es eine im Wesentlichen flache Oberseite über der
Oberseite des zentralen Stammrohres 396 aufweist. Erste
Rippen 350 am Rand weisen eine durch ein Maß „q" bezeichnete seitliche
Ausdehnung 351 auf und liegen im Wesentlichen auf einer
Linie mit der Luftströmung
von dem Ventilator 314. Die ersten Rippen 350 weisen
allgemein dieselbe seitliche Ausdehnung auf wie die zweiten Rippen 352 mit
einer durch ein Maß „p" bezeichneten seitlichen
Ausdehnung 353, oder sind größer als diese.
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Der
Thermosiphon 312 ist besonders für einen hohen Wärmefluss
und sehr konzentrierte Wärmebelastungen
und dort, wo ein Verteilen von Wärme
schwierig ist und der Bedarf an einer dampfseitigen Druckdifferenz
gering ist, geeignet. Darüber
hinaus verbessert ein zentrales Stammrohr 396 deutlich das
Wärmeübertragungsvermögen des
Verdampfers, da Kondensat direkt über der Mitte der Vorrichtung 308 in
das Flüssigkeitsreservoir 338 tropft.
Dies verbessert die Leistung der Siedefläche bei einem sehr hohen Wärmefluss.
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Für die in 8 als
Thermosiphon 312 veranschaulichte Ausführungsform und durch sorgfältige Konstruktions-
und Testiterationen wurde festgelegt, dass die Vorteile der vorliegenden
Erfindung am besten innerhalb der folgenden Bereiche der Schlüsselmaße realisiert
werden. Das Verhältnis
der Breite 397 des Rohres 396 zu dem Nabendurchmesser 355 des
Ventilators 314 ist durch die Beziehung 0,125 ≤ c/H ≤ 0,3 ausgedrückt. Die
Breite 371 des breiten Rohres 370 zu dem Nabendurchmesser 355 ist
durch die Beziehung 0,08 ≤ b/H ≤ 0,2 ausgedrückt. Das Verhältnis der
seitlichen Ausdehnung 353 von zweiten Rippen 352 zu
dem Nabendurchmesser 355 ist durch die Beziehung 0,1 ≤ p/H ≤ 0,325 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der seitlichen Ausdehnung 351 von ersten Rippen 350 zu
dem Durchmesser 355 der Nabe 315 ist durch die
Beziehung 0,2 ≤ q/H ≤ 0,2 ausgedrückt. Das
Verhältnis
der Höhe 337 des
Verdampfungsraumes 336 zu der Höhe 357 des breiten Rohres 370 ist
durch die Beziehung 0,1 ≤ h/L ≤ 0,375 ausgedrückt. Die
lineare Rippendichte eines jeden Rippenstreifens liegt im Bereich
von 8 Rippen pro Zoll bis 20 Rippen pro Zoll.
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In
der vorhergehenden Beschreibung wird der Fachmann problemlos erkennen,
dass Abwandlungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne
von den hierin offenbarten Konzepten abzuweichen. Solche Abwandlungen
sollen im Umfang der nachfolgenden Ansprüche eingeschlossen sein, wenn
durch die Ansprüche
nicht ausdrücklich
anders ausgeführt.