EP3812684B1 - Planare wärmeübertragungsvorrichtung, verwendung davon und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Planare wärmeübertragungsvorrichtung, verwendung davon und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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EP3812684B1
EP3812684B1 EP19205010.2A EP19205010A EP3812684B1 EP 3812684 B1 EP3812684 B1 EP 3812684B1 EP 19205010 A EP19205010 A EP 19205010A EP 3812684 B1 EP3812684 B1 EP 3812684B1
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EP
European Patent Office
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wall
working fluid
support structure
capillary
transfer device
Prior art date
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Active
Application number
EP19205010.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3812684A1 (de
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Sebastian STAUB
Jürgen Karl
Michael Neubert
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ALBAKRI, SAMI ABDULRAHMAN A.
Original Assignee
Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2225/00—Reinforcing means
    • F28F2225/04—Reinforcing means for conduits

Definitions

  • the present invention relates to a planar heat transfer device and a method for its production and in particular to large-area planar heat transfer devices (area-shaped design of the heat pipes, so-called heat pipes) with a folded capillary structure.
  • Planar heat pipes are heat transfer devices that provide efficient heat equalization or areal heat transfer capability in a surface. Due to their design-related isothermal properties, they compensate for temperature peaks and ensure an even temperature distribution. At the same time, very large heat flows can be transferred, for example to a heat sink in a peripheral area.
  • Planar heat pipes are already frequently used today for the surface cooling of electronic components. These are usually manufactured by layered sintering and are only a few cm 2 in size.
  • a support structure is introduced into the heat pipes in order to be able to absorb the pressure forces.
  • a planar heat pipe usually comprises two metal sheets (or walls in general) that are sealed at a certain distance from one another. The resulting cavity contains a working fluid which constantly condenses and evaporates during operation. This phase transition makes it possible to transfer large amounts of heat at a constant temperature level.
  • the support structures used are, for example, nubs which must also be introduced.
  • a planar heat transfer device according to the preamble of claim 1 is known from document U.S. 2013/312939 A1 .
  • figure 5 12 shows an example of such a conventional planar heat transfer device having a first wall 410 and an opposing second wall 420.
  • the first wall 410 and the second wall 420 extend in parallel, for example, in a plane (plane) in a predetermined
  • a working fluid 450 is introduced, which collects vertically below in the liquid phase and fills the cavity 400 in the gas phase above.
  • a capillary structure 470 is formed along the first wall 410, resulting in liquid working fluid 450 being carried vertically upward by capillary action.
  • the liquid working fluid 450 successively evaporates along the first wall 410 (due to a heat source acting there).
  • the gaseous working fluid condenses and flows vertically downward in the liquid phase.
  • the entire cavity 400 forms a thermal circuit for the working fluid.
  • the working fluid condensing on the second (condenser) side 420 runs by gravity to the lowest point of the heat pipe. From there, it must now be pumped along the evaporation surfaces with the help of capillary forces. Proper operation of the heat pipe is only guaranteed if the entire surface of the evaporator is supplied with working fluid. The required height of rise is therefore dependent on the length L of the heat pipe and its angle of inclination ⁇ . The capillary effect can only be implemented over a limited height. In order to achieve complete wetting of the first wall, the liquid working fluid would have to have an overall height L ⁇ sin a are transported, where ⁇ is the angle of inclination of the conventional heat transfer device relative to the horizontal.
  • the rigidity of the construction also limits the maximum dimensions.
  • the distance between the metal sheets 410, 420 must be kept more or less constant over the entire surface, since the vapor space should not be impaired by the metal sheets sagging.
  • the present invention relates to a planar heat transfer device for dissipating and removing heat from a planar heat source.
  • the device includes: a lumen and a capillary support structure.
  • the cavity is bounded by a first wall for coupling to the planar heat source and an opposing second wall and includes a working fluid (eg, a phase change material).
  • the capillary support structure extends folded in at least one direction between the first wall and the second wall to provide support and capillary action for condensed working fluid. This allows condensed working fluid to be transported through the capillary support structure from the second wall to the first wall.
  • the capillary support structure thus performs two functions: providing capillary action to transport condensed working fluid and supporting the first against the second wall.
  • the walls can in particular be planar or flat and extend, for example, in the form of a plate in one plane.
  • the folded capillary support structure forms a wavy cross-section along the folding direction.
  • the capillary support structure is formed from a wire mesh (mesh), which on the one hand offers sufficient mechanical stability and on the other hand provides pore structures for capillary transport. It can be advantageous here if the first and the second wall provide a certain pretension in order to compress the capillary support structure in order to keep the pore structure in the wire mesh correspondingly small and to increase the capillary effect.
  • the material of the capillary support structure can be selected (e.g. made of a metal) in such a way that no additional spacers are required.
  • the capillary support structure can completely fill the cavity so that it cannot be pushed sideways by the applied force.
  • cavity is not intended to be limited to a vacuum in this space. Rather, at least the working fluid will be present there in the liquid or gaseous phase or a mixture of both. Substances can also be present (e.g. air).
  • the capillary support structure is formed to the first wall and the to keep the second wall parallel to each other at a predetermined distance.
  • the heat transfer device may include one or more additional spacers to ensure the predetermined spacing.
  • the capillary support structure can be formed in such a way that it provides sufficient support.
  • it is advantageously formed with sufficient strength and also folded in such a way that the desired mechanical stability is achieved.
  • the sections that extend between the first and the second wall can be formed obliquely or almost perpendicularly to the first and the second wall.
  • triangular cavities can be formed (in a cross-section along the fold) so as to achieve the desired mechanical stability. The cavity is sealed in a vacuum-tight manner to form a vapor space for the working fluid (in liquid and/or gaseous phase), the vapor space being divided by folding the capillary support structure.
  • the capillary support structure thus forms a multiplicity of partition walls in the cavity due to the folds.
  • the capillary support structure is folded in at least one direction, so that in the direction perpendicular thereto, the capillary support structure presents a linear pattern.
  • the lines are formed by the folds.
  • the capillary support structure it is also possible for the capillary support structure to also be folded along this horizontal direction, so that the capillary support structure can also extend there in a wavy or fold-like manner.
  • the pressure in the cavity can also be adjusted accordingly in order to adjust a phase transition temperature accordingly.
  • This adaptation depends, for example, on the area of application (e.g. whether it is used for photovoltaic systems, for cooling buildings, for cooling electronic components, etc.).
  • the spacing between adjacent pleats can be chosen to be approximately the same as the predetermined spacing between the first wall and the second wall.
  • the capillary support structure optionally has openings in order to achieve permeability of the capillary support structure for the gaseous working fluid. These openings can be in addition to the existing capillary-acting pores (or openings in the mesh) and made larger so that they do not become clogged with liquid working fluid. This allows the working fluid in the gas phase to spread throughout the cavity and thus bring about efficient heat equalization. In particular, it can easily flow vertically upwards (against gravity) and thermally connect multiple fold interstices.
  • the capillary support structure is formed as a homogeneous structure (e.g., as a homogeneous lattice or wire mesh).
  • the capillary support structure extends at least partially parallel along the second wall to transport condensed working fluid against gravity along the second wall, the first wall forming an evaporating surface and the second wall forming a condensing surface for the working fluid.
  • a further capillary structure can optionally be formed along the second wall in order to enable a transport of condensed working fluid counter to gravity from one fold interspace to an adjacent fold interspace along the second wall.
  • a continuous further capillary structure offers the advantage that the working fluid in the liquid phase can be transported vertically, specifically along the second wall, where condensation of the liquid phase of the working fluid occurs.
  • the sections formed parallel to the second wall have the same effect.
  • the heat transfer device comprises (at least) a heat sink in an edge area of the cavity, the edge area for example in the direction of the folds (perpendicular to the direction of the folds).
  • the heat sink can, for example, allow cooling via water or air (via a fan or cooling fins).
  • the introduction of the working fluid is independent of the production of the cavity between the first and second walls and the pleated capillary support structure disposed therein.
  • the working fluid can be introduced later, depending on the area of application, via an existing opening (for example, the air can escape via a further opening).
  • the air can be evacuated beforehand.
  • the working fluid can also be introduced first and the air present is later removed from the cavity.
  • the cavity is also optionally possible for the cavity to be completely filled with working fluid in the gaseous phase, for example in the gaseous phase at a correspondingly high temperature, so that the air located therein is automatically displaced.
  • this introduction of the gaseous working fluid can take place in such a way that the opening is located vertically above the cavity or below it, as a result of which effective introduction is possible.
  • the heat transfer device After closing the opening, the heat transfer device can be cooled, which leads to a condensation of the working fluid, so that the resulting heat transfer device can then be used.
  • the heat transfer device includes a cavity 100 bounded by a first wall 110 for coupling to the planar heat source and an opposing second wall 120 .
  • the apparatus further includes a capillary support structure 200 having pleats 210 in at least one direction R (or opposite thereto) extending between the first wall 110 and the second wall 120 to provide support and capillary action for condensed working fluid.
  • the working fluid has not yet been introduced into the cavity 100 .
  • the capillary support structure 200 is formed folded in the cavity 100 . It can extend in sections along the second wall 120 and is folded periodically (wavy) towards the first wall 110 . No edges or corners need to be formed. The rounded folds shown facilitate liquid transport. According to exemplary embodiments, there are no attachments to the first and second walls 110, 120 (the walls 110, 120 are only supported), but can optionally be present.
  • the first wall 110 and / or the second wall 120 may be formed as metal sheets to a to achieve thermal coupling to the environment.
  • the capillary support structure 200 can be formed as a homogeneous structure along the folds 210 . In particular, no further openings are required, but they can be formed optionally.
  • the folds 210 enclose triangular areas, for example, which ensure high mechanical stability. This is advantageous since there are generally no further spacers.
  • the capillary support structure 200 has sufficient mechanical stability to keep the first and second walls at a predetermined distance t from one another, even when the cavity 100 is evacuated and/or thermal stresses/negative pressure exert a force perpendicular to the first and second wall 110,120.
  • the capillary support structure 200 is formed, for example, in the form of a wire mesh (mesh, e.g. made of metal) and not as a continuous metal foil or sheet. In order to achieve a sufficient support effect, the capillary support structure 200 can extend over the entire cavity 100 and abut the ends of the cavity 100 . The capillary support structure 200 cannot then be pushed out to the side.
  • a wire mesh mesh, e.g. made of metal
  • FIG. 5 shows a planar heat transfer device according to another embodiment configured for heat distribution and removal of heat from a planar heat source 50.
  • the working fluid 150 is introduced into the cavity 100 .
  • the planar heat source 50 is shown only schematically via the generated heat Q, which leads to a heat input into the first wall 110, as a result of which the working fluid 150 at least partially evaporates.
  • This first wall 110 thus acts as an evaporation wall.
  • the second wall 120 is formed in the heat transfer device, on which the working fluid 150 at least partially condenses. This second wall 120 thus acts as a condensation wall.
  • the working fluid 150 changes its state of aggregation continuously liquid to vapor or gas.
  • the embodiments overcome the three problems of conventional planar heat pipes.
  • the inserted wire mesh 200 provides the capillarity and the formed folds 210 (or beads) provide the support function since they absorb the axial forces between the two walls 110, 120. This not only increases the rigidity, but also ensures that the required distance t between the walls 110, 120 (steam space) is maintained.
  • the previously required additional support structure can be omitted.
  • the capillary structure which is required for the capillary effect, takes on this task and thus replaces an additional component.
  • the folds 210 divide the cavity 100 into partitioned areas where the working fluid 150 circulates.
  • H t ⁇ t mesh ⁇ cos a
  • t is the predetermined distance between the first and second walls 110, 120
  • t mesh is the thickness of the capillary support structure 200 (eg, the mesh)
  • ⁇ is the angle of inclination.
  • FIGS 3A, 3B show enlarged views of the heat transfer device according to embodiments, wherein in FIG Figure 3A see an example inclined application and in the Figure 3B a horizontal application example is shown.
  • the first wall 110 is again shown vertically above the second wall 120 between which the pleated capillary support structure 200 extends.
  • the folds 210 of the capillary support structure 200 thus form partition walls between adjacent vapor spaces 155, 156 for the working fluid 150 and connect the first wall 110 to the second wall 120.
  • the connection represents at least a thermal connection that is ensured by the transport of the working fluid 150. No further mechanical connection or coupling needs to exist - but can optionally be present.
  • the first wall 110 is again, for example, the wall that couples to the heat source 50 (not shown) and forms an evaporation surface for the working fluid 150 there.
  • the second wall 120 again represents, for example, a condensation surface in the vicinity of which the working fluid 150 condenses.
  • the working fluid 150 is thus present in the liquid phase 151 and in the gas phase 152, with the liquid working fluid 151 being transported via the capillary action of the capillary support structure 200 parallel to the second wall 120 on the one hand and in the direction of the first wall 110 on the other hand.
  • the first wall 110 In the vicinity of the first wall 110, the first wall 110 is wetted by the liquid working fluid 151. Since the heat input takes place there via the heat source, the working fluid 150 changes there into the gaseous phase 152, which then develops within the respective vapor space section 155 spreads. Condensation again occurs on the second wall 120 and the process continues, so that there is a thermal circuit 160 within each vapor space section 155, 156.
  • the wetting of the first wall 110 can take place in both directions, so that a vertical or horizontal heat transport is also achieved. Likewise, not all pores of the capillary support structure 200 will be filled with liquid working fluid 151 in general. The capillary support structure 200 will thus still be permeable to the gas phase 152 of the working fluid 150 . Vertical heat transport can also take place in this way.
  • the capillary support structure 200 should not only provide a capillary effect for the liquid working fluid 151 but should also have a sufficient support function to provide the predetermined distance t between the first surface 110 and the second surface 120 .
  • the capillary support structure 200 is advantageously folded in such a way that triangular sections 240 are formed, which ensure sufficient mechanical stability so that the first wall 120 cannot come into direct contact with the second wall 120 .
  • the heat should not only be distributed horizontally along the planar surface, but should also be dissipated upwards as far as possible, counter to gravity.
  • the heat can be transported counter to gravity, for example via the capillary effect of the capillary support structure 200 or another capillary support structure parallel to the second wall 120 .
  • this vertical heat transport can also take place through the gas phase 152 of the working fluid 150 via openings in the capillary support structure 200 . Due to these mechanisms, the heat transfer device comes to have a homogeneous and isotropic heat distribution along the planar surface, since local overheating leads to heat equalization with the neighboring regions.
  • a lower pressure can be present within the cavity 100 compared to the environment.
  • the pressure can be selected, for example, in order to set the evaporation or condensation temperature of the working fluid 150, so that the most efficient possible heat transport can be ensured for the respective application.
  • the first wall 110 exerts a force in the direction of the opposite second wall 120.
  • This pressure means that the folded capillary support structure 200 has to support a vertically acting force. This can have the positive side effect that the existing pores in the capillary support structure 200 become correspondingly smaller and the capillary effect is thus further increased.
  • the capillary support structure 200 can be formed from a stable wire mesh, with the wire thickness being selected in such a way that an adequate support function is achieved for the respective application.
  • the wire mesh 200 can be formed homogeneously (translationally symmetrical) and isotropically (rotationally symmetrical, at least for 90° rotations). It does not need to have any further, additional openings or additional surface structures.
  • the predetermined distance t between two adjacent folds 210 can in principle be chosen arbitrarily, but generally represents a compromise between wetting the first wall 110 as completely as possible and at the same time an effective thermal circuit 160 by the working fluid 150. If the distances between the individual folds 210, where the capillary support structure 200 comes into contact with the first wall 110 or close to it, are very wide, this wetting can be interrupted, so that local overheating can occur. Therefore, it is advantageous that the pitch of the pleats 210 is not formed too large. On the other hand, if the distance between is formed too small by the pleats, the heat cycle 160 of condensed working fluid 151 and vaporized working fluid 152 (in the gas phase) is not effective. The vapor space 155, 156 is then too small to ensure efficient circulation 160 of the working fluid 150 from the liquid phase 151 to the vapor phase 152 and back to the liquid phase 151.
  • a heat sink (not shown) can be formed, for example, at any end point in direction R of the folded structure.
  • the thermal circuit 160 within the individual vapor spaces 155, 156 between the adjacent folds 210 ensures that a uniform, homogeneous temperature profile prevails along the planar extent of the heat transfer device, so that the cooling can take place at any desired location.
  • the heat sink can include a water bath or air cooling, for example.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine planare Wärmeübertragungsvorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere auf großflächige planare Wärmübertrager (flächenförmige Ausgestaltung der Wärmerohre, sogenannte Heatpipes) mit gefalteter Kapillarstruktur.
    • HINTERGRUND
  • Planare Heatpipes sind Wärmeübertragungsvorrichtungen, die in einer Fläche einen effizienten Wärmeausgleich bzw. eine Möglichkeit zur flächigen Wärmeübertragung bereitstellen. Dabei gleichen sie, bedingt durch ihre bauartbedingte Isothermie, Temperaturspitzen aus und sorgen für eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Gleichzeitig können damit sehr große Wärmeströme übertragen werden, beispielsweise zu einer Wärmesenke in einem Randbereich.
  • Planare Heatpipes werden heute bereits häufig zur flächigen Kühlung von Elektronikbauteilen verwendet. Diese werden in der Regel durch schichtweises Sintern gefertigt und sind nur wenige cm2 groß. In die Heatpipes wird zusätzlich zur obligatorischen Kapillarstruktur eine Stützstruktur eingebracht um die Drucckräfte aufnehmen zu können. Eine planare Heatpipe umfasst in der Regel zwei Bleche (oder allgemein Wände), die in einem gewissen Abstand zueinander dicht verschlossen werden. Im so entstandenen Hohlraum befindet sich ein Arbeitsfluid welches im Betrieb permanent kondensiert und verdampft. Durch diesen Phasenübergang ist es möglich, große Wärmemengen auf einem konstanten Temperaturlevel zu übertragen. Die verwendeten Stützstrukturen sind z.B. Noppen welche zusätzlich eingebracht werden müssen. Eine planare Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bekannt aus dem Dokument US 2013/312939 A1 .
  • Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine solche konventionelle planare Wärmeübertragungsvorrichtung mit einer ersten Wand 410 und einer gegenüberliegenden zweiten Wand 420. Die erste Wand 410 und die zweite Wand 420 erstrecken sich beispielsweise parallel in einer Fläche (Ebene) in einem vorbestimmten
  • Abstand voneinander und weisen eine Länge L auf. In dem dadurch gebildeten Hohlraum 400 ist ein Arbeitsfluid 450 eingebracht, welches in der flüssigen Phase sich vertikal unten sammelt und in der darüber liegenden Gasphase den Hohlraum 400 ausfüllt. Entlang der ersten Wand 410 ist eine Kapillarstruktur 470 ausgebildet, die dazu führt, dass flüssiges Arbeitsfluid 450 durch die Kapillarwirkung vertikal nach oben getragen wird. Während des Transportes verdampft sukzessive das flüssige Arbeitsfluid 450 entlang der ersten Wand 410 (durch eine dort einwirkende Wärmequelle). In der Nähe der zweiten Wand 420 kondensiert das gasförmige Arbeitsfluid und fließt in der Flüssigkeitsphase vertikal nach unten. Somit bildet der gesamte Hohlraum 400 einen Wärmekreislauf für das Arbeitsfluid.
  • Das auf der zweiten (Kondensator-) Seite 420 kondensierende Arbeitsfluid läuft durch die Schwerkraft zum tiefsten Punkt der Heatpipe. Von dort muss dieses nun mit Hilfe der Kapillarkräfte entlang der Verdampfungsflächen gepumpt werden. Nur wenn die gesamte Fläche des Verdampfers mit Arbeitsfluid versorgt wird, ist ein ordentlicher Betrieb der Heatpipe gewährleistet. Die benötigte Steighöhe ist somit abhängig von der Länge L der Heatpipe sowie deren Neigungswinkel α. Die Kapillarwirkung ist nur über eine begrenzte Höhe umsetzbar. Um eine vollständige Benetzung der ersten Wand zu erreichen, müsste das flüssige Arbeitsfluid auf eine Gesamthöhe L ⋅ sin α
    Figure imgb0001
     transportiert werden, wobei α der Neigungswinkel der konventionellen Wärmeübertragungsvorrichtung relativ zur Horizontalen ist. Wegen der begrenzten Kapillarwirkung und der fortlaufenden Verdampfung, ist dies nur begrenzt möglich. Folglich kommt es zu lokalen Überhitzungen, und zwar dort, wo das Arbeitsfluid bereits vollständig in die Gasphase übergegangen ist, was die Größe L der Heatpipes beschränkt. Bereits bei einer horizontalen Anwendung kann dies zu einem unzureichenden Rücktransport des Kondensats in die Verdampfungszone führen.
  • Somit ist die maximale Baugröße bzw. deren Neigungswinkel beschränkt.
  • Außerdem grenzt auch die Steifigkeit der Konstruktion die maximalen Abmessungen ein. Für die Funktion der Heatpipe ist der Abstand der Bleche 410, 420 über die gesamte Fläche mehr oder weniger konstant zu halten, da der Dampfraum nicht durch eine Durchsenkung der Bleche beeinträchtigt werden soll.
  • Für großflächige planare Heatpipes sind daher zumindest einige der folgenden Probleme zu lösen:
    • Ausreichende Steifigkeit der Sandwichkonstruktion, um auch mechanisch den statischen Kräften, bedingt durch die Drücke im Inneren der Heatpipe, standzuhalten;
    • Sicherstellen des Abstands der Bleche, um den Dampfraum zu gewährleisten;
    • Ausreichende Steighöhe der Kapillarstruktur herstellen.
  • Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Wärmetransportvorrichtungen, die eine flächenförmige Wärmeverteilung und einen flächenförmigen Abtransport von Wärme ermöglichen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine planare Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmeverteilung und zum Abtransport von Wärme von einer planaren Wärmequelle. Die Vorrichtung umfasst: einen Hohlraum und eine Kapillarstützstruktur. Der Hohlraum wird durch eine erste Wand zum Koppeln an die planare Wärmequelle und eine gegenüberliegende zweite Wand begrenzt und weist ein Arbeitsfluid (z.B. ein Phasenwechselmaterial) auf. Die Kapillarstützstruktur erstreckt sich in zumindest einer Richtung gefaltet zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand, um eine Stützwirkung und eine Kapillarwirkung für kondensiertes Arbeitsfluid bereitzustellen. Dadurch wird ein Transport von kondensiertem Arbeitsfluid durch die Kapillarstützstruktur von der zweiten Wand zu der ersten Wand möglich.
  • Die Kapillarstützstruktur erfüllt somit zwei Funktionen: das Bereitstellen einer Kapillarwirkung zum Transport von kondensiertem Arbeitsfluid und das Abstützen der ersten gegen die zweite Wand. Die Wände können dabei insbesondere planar oder flach ausgebildet sein und sich zum Beispiel plattenförmig in einer Ebene erstrecken. Die gefaltete Kapillarstützstruktur bildet entlang der Faltungsrichtung zum Beispiel einen wellenförmigen Querschnitt.
  • Um die Stützfunktion der Kapillarstützstruktur zu erfüllen, ist die Kapillarstützstruktur aus einem Drahtgeflecht (Mesh) gebildet, welches einerseits eine ausreichende mechanische Stabilität bietet und andererseits Porenstrukturen für den Kapillartransport bereitstellt. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die erste und die zweite Wand eine gewisse Vorspannung bereitstellen, um die Kapillarstützstruktur zusammenzudrücken, um so die Porenstruktur in dem Drahtgeflecht entsprechend klein zu halten und die Kapillarwirkung zu verstärken. Insbesondere kann das Material der Kapillarstützstruktur derart gewählt werden (z.B. aus einem Metall), dass keine zusätzlichen Abstandshalter erforderlich sind. Die Kapillarstützstruktur kann den Hohlraum vollständig ausfüllen, sodass es durch die einwirkende Kraft nicht seitlich weggedrückt werden kann.
  • Der Begriff "Hohlraum" soll nicht darauf eingeschränkt werden, dass in diesem Raum ein Vakuum herrscht. Vielmehr wird dort zumindest das Arbeitsfluid in flüssiger oder gasförmiger Phase oder eine Mischung aus beiden vorliegen. Darüber hinaus können auch noch Stoffe vorhanden sein (z.B. Luft).
  • Die Kapillarstützstruktur ist ausgebildet, um die erste Wand und die zweite Wand in einem vorbestimmten Abstand parallel voneinander zu halten. Insbesondere wenn die im Hohlraum befindliche Luft zum großen Teil entnommen wurde, kann dort in Abhängigkeit der Temperatur (und somit der vorherrschenden Phase) ein Unterdruck im Vergleich zu dem Umgebungsdruck vorhanden sein. Dieser Unterdruck bewirkt eine Kraft, die die Kapillarstützstruktur abzustützen hat. Dadurch kann die Geometrie des Dampfraumes optimal gehalten werden und der gewünschte Wärmetransport effizient erfolgen. Daher kann optional die Wärmeübertragungsvorrichtung einen oder mehrere zusätzliche Abstandshalter aufweisen, um den vorbestimmten Abstand sicherzustellen.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind jedoch, solche Abstandshalter nicht erforderlich. So kann die Kapillarstützstruktur derart gebildet werden, dass sie eine ausreichende Abstützung bereitstellt. Hierzu wird sie vorteilhafterweise mit einer ausreichenden Festigkeit gebildet und außerdem derart gefaltet, dass die gewünschte mechanische Stabilität erreicht wird. So können die Abschnitte, die sich zwischen der ersten und der zweiten Wand erstrecken, schräg oder nahezu senkrecht zu der ersten und der zweiten Wand ausgebildet sein. Insbesondere können dreieckförmige Hohlräume gebildet werden (in einem Querschnitt entlang der Faltung), um so die gewünschte mechanische Stabilität zu erreichen. Der Hohlraum ist vakuumdicht abgeschlossen, um einen Dampfraum für das Arbeitsfluid (in flüssiger und/oder gasförmiger Phase) zu bilden, wobei der Dampfraum durch Falten der Kapillarstützstruktur unterteilt ist. Die Kapillarstützstruktur bildet somit durch die Falten eine Vielzahl von Trennwänden in dem Hohlraum. Außerdem ist die Kapillarstützstruktur in zumindest einer Richtung gefaltet, so dass in der Richtung senkrecht dazu, die Kapillarstützstruktur ein linienförmiges Muster darstellt. Die Linien werden durch die Falten gebildet. Optional ist es jedoch ebenfalls möglich, dass entlang dieser horizontalen Richtung ebenfalls eine Faltung der Kapillarstützstruktur vorgenommen wird, so dass dort ebenfalls die Kapillarstützstruktur sich wellenförmig bzw. faltenförmig erstrecken kann.
  • Auf diese Weise wird es möglich, nahezu beliebige Größen für die Wärmübertragungsvorrichtung zu erreichen. Insbesondere stellen minimale Längenausdehnungen von mehr als 10 cm oder mehr als 1 m kein Problem dar.
  • In dem Hohlraum kann auch der Druck entsprechend angepasst werden, um eine Phasenübergangstemperatur entsprechend einzustellen. Diese Anpassung hängt beispielsweise von dem Anwendungsgebiet ab (z.B. ob sie für Photovoltaikanlagen, zur Gebäudekühlung, zur Kühlung Elektronikbauteilen etc. genutzt wird).
  • Ein effektiver Abtransport von Wärme und eine effektive Wärmeverteilung entlang der planar ausgebildeten ersten und zweiten Wand ist insbesondere dann gegeben, wenn die erste Wand (Verdampfungswand) permanent mit flüssigem Arbeitsfluid benetzt ist. Dieses Arbeitsfluid sollte über die Kapillarwirkung der Kapillarstützstruktur fortlaufend von der zweiten Wand zu der ersten Wand transportiert werden. Anderseits ist der Abstand groß genug zu wählen, um einen Wärmkreislauf effizient aufrechtzuhalten. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der Falten derart gewählt wird, dass der Kompromiss zwischen einem effektiven Wärmekreislauf und einer vollständigen Benetzung der ersten Wand gewährleistet wird.
  • Daher wird gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ein Abstand zwischen benachbarten Falten der Kapillarstützstruktur angepasst, um
    • eine möglichst vollständige Benetzung der ersten Wand zu erreichen, und/oder
    • zwischen den benachbarten Falten einen Abschnitt des Dampfraumes zu bilden, in dem zirkulierendes Arbeitsfluid einen Wärmekreislauf von gasförmigen und dem kondensierten Arbeitsfluid bilden kann.
  • Beispielsweise kann der Abstand zwischen benachbarten Falten derart gewählt werden, dass er in etwa den gleichen Wert aufweist, wie der vorbestimmte Abstand zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand.
  • Optional weist die Kapillarstützstruktur Öffnungen auf, um eine Durchlässigkeit der Kapillarstützstruktur für das gasförmige Arbeitsfluid zu erreichen. Diese Öffnungen können zusätzlich zu den vorhanden kapillar-wirkendenden Poren (oder Öffnungen im Geflecht) vorhanden sein und größer gebildet werden, sodass sie sich nicht durch flüssiges Arbeitsfluid zusetzen. Dadurch kann Arbeitsfluid in der Gasphase sich im gesamten Hohlraum ausbreiten und so einen effizienten Wärmeausgleich bewirken. Insbesondere kann es leicht vertikal nach oben strömen (entgegen der Gravitation) und mehrere Faltenzwischenräume thermisch miteinander verbinden.
  • Diese Öffnungen sind aber nicht zwingend. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind keine zusätzlichen Öffnungen vorgesehen. Stattdessen ist die Kapillarstützstruktur als eine homogene Struktur ausgebildet (z.B. als ein homogenes Gitter oder Drahtgeflecht).
  • Optional erstreckt sich die Kapillarstützstruktur zumindest teilweise parallel entlang der zweiten Wand, um kondensiertes Arbeitsfluid entgegen der Gravitation entlang der zweiten Wand zu transportieren, wobei für das Arbeitsfluid die erste Wand eine Verdampfungsoberfläche und die zweite Wand eine Kondensationsoberfläche bilden.
  • Optional kann entlang der zweiten Wand eine weitere Kapillarstruktur ausgebildet sein, um einen Transport von kondensiertem Arbeitsfluid entgegen der Gravitation von einem Faltenzwischenraum zu einem benachbarten Faltenzwischenraum entlang der zweiten Wand zu ermöglichen.
  • Eine durchgehende weitere Kapillarstruktur bietet den Vorteil, dass das Arbeitsfluid in der flüssigen Phase in der Höhe transportiert werden kann, und zwar entlang der zweiten Wand, wo es zur Kondensation der Flüssigkeitsphase des Arbeitsfluids kommt. Den gleichen Effekt haben die parallel zur zweiten Wand ausgebildeten Abschnitte.
  • Optional umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung (zumindest) eine Wärmesenke in einem Randbereich des Hohlraumes, wobei der Randbereich beispielsweise in der Richtung des Faltens liegt (senkrecht zur Faltenrichtung). Die Wärmesenke kann beispielsweise eine Abkühlung über Wasser oder Luft (über ein Gebläse oder Kühlrippen) ermöglichen.
  • Die Wärmeübertragungsvorrichtung, wie sie zuvor definiert war, kann auf vielfältige Art und Weise eingesetzt werden. Beispielhaft werden lediglich zumindest die folgenden Verwendungen in weiteren Ausführungsbeispielen umgesetzt:
    • zur Kühlung von Photovoltaikanlagen;
    • zur Kühlung von Wänden von Gebäuden;
    • zum Abtransport von Wärme aus Innenräumen;
    • zum Kühlen von Elektronikbauteilen.
  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer planaren Wärmeübertragungsvorrichtung, die zur Wärmeverteilung und zum Abtransport von Wärme von einer planaren Wärmequelle vorgesehen ist. Das Verfahren umfasst:
    • Bereitstellen einer Kapillarstützstruktur, die eine Stützwirkung und eine Kapillarwirkung für kondensiertes Arbeitsfluid bereitstellt; und
    • Bilden eines Hohlraums mit einer ersten Wand zum Koppeln an die planare Wärmequelle und einer gegenüberliegenden zweiten Wand, wobei in zumindest einer Richtung die Kapillarstützstruktur sich zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand gefaltet erstreckt, um ein Transport von kondensiertem Arbeitsfluid durch die Kapillarstützstruktur von der zweiten Wand zu der ersten Wand zu ermöglichen.
  • Der gebildete Hohlraum kann (zumindest) eine Öffnung aufweisen und das Verfahren umfasst optional weiter zumindest einen der folgenden Schritte:
    • Entfernen von Luft aus dem Hohlraum über die Öffnung;
    • Einbringen von Arbeitsfluid in den Hohlraum durch die Öffnung;
    • vakuumdichtes Verschließen der Öffnung.
  • Es versteht sich, dass das Einbringen des Arbeitsfluids unabhängig von der Herstellung des Hohlraumes zwischen der ersten und zweiten Wand und der darin angeordneten, gefalteten Kapillarstützstruktur erfolgen kann. Insbesondere kann das Arbeitsfluid später, entsprechend dem Anwendungsgebiet über eine vorhandene Öffnung eingebracht werden (über eine weitere Öffnung kann beispielsweise die Luft entweichen). Optional kann die Luft aber zuvor evakuiert werden. Es kann aber auch zunächst das Arbeitsfluid eingeführt werden und die vorhandene Luft wird später aus dem Hohlraum entfernt. Optional ist es ebenfalls möglich, dass der Hohlraum vollständig mit Arbeitsfluid in der gasförmigen Phase gefüllt wird, z.B. in der Gasphase unter einer entsprechend hohen Temperatur, so dass es automatisch zu einer Verdrängung der darin befindlichen Luft kommt. Je nachdem ob die Luft bzw. die gasförmige Phase des Arbeitsfluids eine höhere Dichte aufweist, kann dieses Einbringen des gasförmigen Arbeitsfluids derart geschehen, dass die Öffnung sich vertikal oberhalb des Hohlraumes oder darunter befindet, wodurch eine effektive Einleitung möglich wird. Nach Verschließen der Öffnung kann die Wärmeübertragungsvorrichtung abgekühlt werden, was zu einer Kondensation des Arbeitsfluids führt, so dass die dann resultierende Wärmeübertragungsvorrichtung einsetzbar ist.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
    • Fig. 1
    zeigt planare Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die zur Wärmeverteilung und zum Abtransport von Wärme geeignet ist.
    Fig. 2
    veranschaulicht die Arbeitsweise der planaren Wärmeübertragungsvorrichtung mit eingebrachtem Arbeitsfluid gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    Fig. 3A, 3B
    zeigen vergrößerte Darstellungen der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
    Fig. 4
    zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer planaren Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    Fig. 5
    zeigt eine konventionelle planare Wärmeübertragungsvorrichtung.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Fig. 1 zeigt eine planare Wärmeübertragungsvorrichtung, die zur Wärmeverteilung und zum Abtransport von Wärme von einer planaren Wärmequelle geeignet ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung umfasst einen Hohlraum 100, der durch eine erste Wand 110 zum Koppeln an die planare Wärmequelle und eine gegenüberliegende zweite Wand 120 begrenzt ist. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Kapillarstützstruktur 200, die in zumindest einer Richtung R (oder entgegengesetzt dazu) Falten 210 aufweist, die sich zwischen der ersten Wand 110 und der zweiten Wand 120 erstrecken, um eine Stützwirkung und eine Kapillarwirkung für kondensiertes Arbeitsfluid bereitzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsfluid noch nicht in den Hohlraum 100 eingebracht.
  • Im Gegensatz zu der konventionellen Wärmeübertragungsvorrichtung (siehe Fig. 5) ist in der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen die Kapillarstützstruktur 200 gefaltet in dem Hohlraum 100 ausgebildet. Sie kann sich abschnittsweise entlang der zweiten Wand 120 erstrecken und ist periodisch (wellenförmig) hin zur ersten Wand 110 gefaltet. Es brauchen keine Kanten oder Ecken gebildet sein. Die gezeigten abgerundeten Falten erleichtern den Flüssigkeitstransport. Gemäß Ausführungsbeispielen sind keine Befestigungen an der ersten und zweiten Wand 110, 120 vorhanden (die Wände 110, 120 werden nur abgestützt), können aber optional vorhanden sein. Die erste Wand 110 und/oder die zweite Wand 120 können als Bleche ausgebildet sein, um eine thermische Kopplung an die Umgebung zu erreichen.
  • Die Kapillarstützstruktur 200 kann als eine homogene Struktur entlang der Falten 210 ausgebildet sein. Insbesondere sind keine weiteren Öffnungen erforderlich, können aber optional ausgebildet sein. Die Falten 210 umschließen beispielsweise Dreiecksbereiche, die eine hohe mechanische Stabilität sichern. Dies ist von Vorteil, da im Allgemeinen keine weiteren Abstandshalter vorhanden sind. Die Kapillarstützstruktur 200 weist insbesondere eine ausreichende mechanische Stabilität auf, um die erste und die zweite Wand in einem vorbestimmten Abstand t voneinander zu halten, und zwar auch dann, wenn der Hohlraum 100 evakuiert wird und/oder thermische Spannungen/Unterdruck eine Kraft senkrecht auf die erste und auf die zweite Wand 110, 120 ausüben.
  • Um diese Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig eine Kapillarität aufzuweisen ist die Kapillarstützstruktur 200 z.B. in Form eines Drahtgeflechts (Mesh, z.B. aus Metall) gebildet und nicht als eine durchgehende Metallfolie oder Blech. Um einen ausreichenden Stützeffekt zu erreichen, kann sich die Kapillarstützstruktur 200 über den gesamten Hohlraum 100 erstrecken und an den Enden des Hohlraumes 100 anstoßen. Die Kapillarstützstruktur 200 kann dann seitlich nicht rausgedrückt werden.
  • Fig. 2 zeigt eine planare Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, die für eine Wärmeverteilung und zum Abtransport von Wärme von einer planaren Wärmequelle 50 ausgebildet ist. Hierzu ist in dem Hohlraum 100 das Arbeitsfluid 150 eingebracht. Die planare Wärmequelle 50 ist lediglich schematisch über die erzeugte Wärme Q dargestellt, die zu einem Wärmeeintrag in die erste Wand 110 führt, wodurch das Arbeitsfluid 150 zumindest teilweise verdampft. Diese erste Wand 110 wirkt somit als Verdampfungswand.
  • Gegenüberliegend zu der ersten Wand 110 ist in der Wärmeübertragungsvorrichtung die zweite Wand 120 ausgebildet, an der das Arbeitsfluid 150 zumindest teilweise kondensiert. Diese zweite Wand 120 wirkt somit als Kondensationswand. Das Arbeitsfluid 150 wechselt seinen Aggregatzustand fortlaufend von flüssig zu dampf- oder gasförmig.
  • Somit überwinden die Ausführungsbeispiele die drei Probleme von konventionellen planaren Heatpipes. Das eingebrachte Drahtgewebe 200 bietet die Kapillarität und die ausgebildeten Falten 210 (oder Sicken) bieten die Stützfunktion, da sie die axialen Kräfte zwischen den beiden Wänden 110, 120 aufnehmen. Dadurch wird nicht nur die Steifigkeit erhöht, sondern gleichzeitig wird die Einhaltung des benötigten Abstandes t zwischen den Wänden 110, 120 (Dampfraum) gewährleistet. Die bislang erforderliche zusätzliche Stützstruktur kann entfallen. Die Kapillarstruktur, die für die Kapillarwirkung benötigt wird, übernimmt diese Aufgabe und ersetzt damit ein zusätzliches Bauteil.
  • Außerdem wird es dank der gefalteten Kapillarstruktur 200 möglich, sehr große planare Heatpipes zu bauen. Die Falten 210 unterteilen nämlich den Hohlraum 100 in abgetrennte Bereiche, in denen das Arbeitsfluid 150 zirkuliert. Im Gegensatz zu der konventionellen Wärmeübertragungsvorrichtung (siehe Fig. 5) ist die Hubhöhe H, die durch die Kapillarkräfte zu überwinden ist, deutlich kleiner und beträgt H = t − t mesh ⋅ cos α
    Figure imgb0002
     wobei t der vorbestimmte Abstand zwischen der ersten und der zweiten Wand 110, 120, tmesh die Dicke der Kapillarstützstruktur 200 (z.B. des Geflechts) und α der Neigungswinkel ist. Somit wird auch die Einschränkung hinsichtlich der Steighöhe der konventionellen planaren Heatpipe überwunden, in welcher die Kapillarstruktur an der Seite des Verdampfers angebracht wurde (vgl. Fig. 5).
  • Dies ist ein wesentlicher Vorteil der durch die gefaltete Kapillarstruktur 200 entsteht. Werden die Sicken quer zur Neigungsrichtung der Heatpipe eingebracht, ist die erforderliche Steighöhe H zur Benetzung des Verdampfers deutlich geringer; vgl. Gleichungen (1) und (2). Das durch die Schwerkraft abfließende Arbeitsfluid wird an jeder Falte von der kalten Kondensatorseite (zweite Wand 120) zum Verdampfer (erste Wand 110) gepumpt. Dort sorgt dann entweder die Schwerkraft oder ein zusätzlich eingebrachtes Mesh 200 (Kapillarstruktur) für eine gleichmäßige Verteilung des Arbeitsfluides. Dadurch ist die Baugröße bzw. der maximale Neigungswinkel einer planaren Heatpipe kaum noch beschränkt, da die erforderliche Steighöhe H nur noch maximal der Steighöhe der Falten und damit dem Abstand der Bleche entspricht.
  • Fig. 3A, 3B zeigen vergrößerte Darstellungen der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen, wobei in der Fig. 3A eine beispielhaft geneigte Anwendung zu sehen und in der Fig. 3B ein horizontales Anwendungsbeispiel dargestellt ist.
  • Die erste Wand 110 ist wiederum vertikal oberhalb der zweiten Wand 120 dargestellt, zwischen denen sich die gefaltete Kapillarstützstruktur 200 erstreckt. Die Falten 210 der Kapillarstützstruktur 200 bilden somit Trennwände zwischen benachbarten Dampfräumen 155, 156 für das Arbeitsfluid 150 und verbinden die erste Wand 110 mit der zweiten Wand 120. Die Verbindung stellt zumindest eine thermische Verbindung dar, die über den Transport des Arbeitsfluids 150 gewährleistet wird. Es braucht keine weitere mechanische Verbindung oder Kopplung zu existieren - kann aber optional vorhanden sein.
  • Die erste Wand 110 ist wiederum beispielhaft die Wand, die an die Wärmequelle 50 koppelt (nicht dargestellt) und dort eine Verdampfungsfläche für das Arbeitsfluid 150 bildet. Die zweite Wand 120 stellt beispielhaft wieder eine Kondensationsfläche dar, in deren Nähe es zu einer Kondensation des Arbeitsfluids 150 kommt. Das Arbeitsfluid 150 liegt somit in der Flüssigphase 151 und in der Gasphase 152 vor, wobei das flüssige Arbeitsfluid 151 über die Kapillarwirkung der Kapillarstützstruktur 200 einerseits parallel zur zweiten Wand 120 und andererseits in Richtung der ersten Wand 110 transportiert wird.
  • In der Nähe der ersten Wand 110 kommt es zu einer Benetzung der ersten Wand 110 durch das flüssige Arbeitsfluid 151. Da dort der Wärmeeintrag über die Wärmequelle erfolgt, geht das Arbeitsfluid 150 dort in die gasförmige Phase 152 über, die sich dann innerhalb des jeweiligen Dampfraumabschnitts 155 ausbreitet. An der zweiten Wand 120 kommt es wiederum zu einer Kondensation und der Prozess wird fortgeführt, so dass ein Wärmekreislauf 160 innerhalb jedes Dampfraumabschnittes 155, 156 vorliegt.
  • Die Benetzung der ersten Wand 110 kann in beiden Richtungen erfolgen, so dass auch ein vertikaler bzw. horizontaler Wärmetransport erreicht wird. Ebenso werden im Allgemeinen nicht alle Poren der Kapillarstützstruktur 200 mit flüssigem Arbeitsfluid 151 gefüllt sein. Die Kapillarstützstruktur 200 wird somit immer noch durchlässig für die Gasphase 152 des Arbeitsfluids 150 sein. Auch auf diese Weise kann ein vertikaler Wärmetransport erfolgen.
  • Die Kapillarstützstruktur 200 soll aber nicht nur eine Kapillarwirkung für das flüssige Arbeitsfluid 151 bereitstellen, sondern ebenfalls eine ausreichende Stützfunktion aufweisen, um den vorbestimmten Abstand t zwischen der ersten Fläche 110 und der zweiten Fläche 120 bereitzustellen. Hierzu ist die Kapillarstützstruktur 200 vorteilhafterweise derart gefaltet, dass sich dreieckförmige Abschnitte 240 bilden, die eine ausreichende mechanische Stabilität sicherstellen, sodass die erste Wand 120 nicht in direktem Kontakt mit der zweiten Wand 120 treten kann.
  • Bei Anwendungsfällen soll die Wärme nicht nur horizontal entlang der planaren Fläche verteilt werden, sondern auch möglichst nach oben, entgegen der Gravitation, abgeleitet werden. Der Wärmetransport entgegen der Gravitation kann beispielsweise über die Kapillarwirkung der Kapillarstützstruktur 200 oder einer weiteren Kapillarstützstruktur parallel zur zweiten Wand 120 erfolgen. Dieser vertikale Wärmetransport kann aber auch, wie zuvor beschrieben, durch die Gasphase 152 des Arbeitsfluids 150 über Öffnungen in der Kapillarstützstruktur 200 erfolgen. Aufgrund dieser Mechanismen kommt es dazu, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung entlang der planaren Fläche eine homogene und isotrope Wärmeverteilung aufweist, da eine lokale Überhitzung zu einem Wärmeausgleich mit den benachbarten Regionen führt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass eine Abkühlung in einer Umgebung einer Wärmesenke dazu führt, dass sich die Abkühlung ebenso entlang der ersten und zweiten Wand 110, 120 entsprechend ausbreitet. Somit kommt es nicht nur zu einem effektiven Wärmeaustausch innerhalb eines jeden Abschnittes 155, 156 des Dampfraumes, sondern ebenfalls zwischen benachbarten Abschnitten 155, 156 und schließlich über die gesamte Fläche der planaren Wärmeübertragungsvorrichtung.
  • Im Vergleich zur Umgebung kann innerhalb des Hohlraumes 100 ein geringerer Druck vorhanden sein. Der Druck kann beispielsweise gewählt werden, um die Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur des Arbeitsfluids 150 einzustellen, sodass für die jeweilige Anwendung ein möglichst effizienter Wärmetransport sichergestellt werden kann. Aufgrund des geringeren Druckes kommt es zu einer Kraftwirkung der ersten Wand 110 in Richtung der gegenüberliegenden zweiten Wand 120. Dieser Druck führt dazu, dass die gefaltete Kapillarstützstruktur 200 eine vertikal wirkende Kraft abzustützen hat. Dies kann den positiven Nebeneffekt haben, dass dadurch die vorhandenen Poren in der Kapillarstützstruktur 200 sich entsprechend verkleinern und somit die Kapillarwirkung weiter erhöht wird.
  • Beispielsweise ist die Kapillarstützstruktur 200 aus einem stabilen Drahtgeflecht gebildet sein, wobei die Drahtdicke derart gewählt ist, dass eine ausreichende Stützfunktion für die jeweilige Anwendung erreicht wird. Das Drahtgeflecht 200 kann homogen (translationssymmetrisch) und isotrop (rotationssymmetrisch, zumindest bei 90° Drehungen) gebildet werden. Es braucht keinerlei weitere, zusätzliche Öffnungen oder zusätzliche Oberflächenstrukturen aufweisen.
  • Der vorbestimmte Abstand t zwischen zwei benachbarten Falten 210 kann im Prinzip beliebig gewählt werden, stellt jedoch im Allgemeinen einen Kompromiss dar zwischen einer möglichst vollständigen Benetzung der ersten Wand 110 und gleichzeitig einem effektiven Wärmekreislauf 160 durch das Arbeitsfluid 150. Wenn die Abstände zwischen den einzelnen Falten 210, an denen die Kapillarstützstruktur 200 in Kontakt mit der ersten Wand 110 oder in der Nähe dazu gelangt, sehr weit sind, kann diese Benetzung unterbrochen werden, sodass es zu lokalen Überhitzungen kommen kann. Daher ist es vorteilhaft, dass der Abstand der Falten 210 nicht zu groß gebildet wird. Andererseits, falls der Abstand zwischen den Falten zu klein gebildet wird, ist der Wärmekreislauf 160 von kondensiertem Arbeitsfluid 151 und verdampftem Arbeitsfluid 152 (in der Gasphase) nicht effektiv. Der Dampfraum 155, 156 ist dann zu klein, um einen effizienten Kreislauf 160 des Arbeitsfluids 150 von der Flüssigphase 151 zur Dampfphase 152 und zurück zur Flüssigphase 151 zu gewährleisten.
  • Optional kann eine Wärmesenke (nicht gezeigt) beispielsweise an einem beliebigen Endpunkt in Richtung R der gefalteten Struktur ausgebildet werden. Der Wärmekreislauf 160 innerhalb der einzelnen Dampfräume 155, 156 zwischen den benachbarten Falten 210 stellt sicher, dass entlang der planaren Ausdehnung der Wärmeübertragungsvorrichtung ein gleichförmiges, homogenes Temperaturprofil vorherrscht, so dass die Abkühlung an einem beliebigen Ort geschehen kann. Die Wärmesenke kann beispielsweise ein Wasserbad oder eine Luftkühlung umfassen.
  • Fig. 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer planaren Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren umfasst:
    • Bereitstellen S310 einer Kapillarstützstruktur 200, die eine Stützwirkung und eine Kapillarwirkung für kondensiertes Arbeitsfluid bereitstellt; und
    • Bilden S320 eines Hohlraums 100 mit einer ersten Wand 110 zum Koppeln an die planare Wärmequelle und einer gegenüberliegenden zweiten Wand 120, wobei in zumindest einer Richtung R die Kapillarstützstruktur 200 sich zwischen der ersten Wand 110 und der zweiten Wand 120 gefaltet erstreckt, um einen Transport von kondensiertem Arbeitsfluid durch die Kapillarstützstruktur 200 von der zweiten Wand 120 zu der ersten Wand 110 zu ermöglichen.
  • Als weitere optionale Schritte kann das Verfahren folgende Schritte umfassen:
    • Entfernen von Luft aus dem Hohlraum (100) über die Öffnung;
    • Einbringen von Arbeitsfluid in den Hohlraum (100) durch die Öffnung;
    • vakuumdichtes Verschließen der Öffnung.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Verteilung von Wärme über große Flächen, wobei parallel angeordnete Bleche (Wände 110, 120) eine vakuumdichte Heatpipe bilden, deren Kapillarstruktur 200 den Dampfraum der Heatpipe in mehrere Abschnitte 155, 156 unterteilt. Die Stützstruktur 200 kann so geformt sein, dass auch bei Unterdruck ein Abstand der parallel angeordneten Bleche gewährleistet ist. Diese Stützstruktur 200 kann ganz oder teilweise durch die Kapillarstruktur gebildet sein.
  • Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung, deren Gegenstand durch die Ansprüche bestimmt wird, wesentlich sein.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 50
    (planare) Wärmequelle
    100, 400
    Hohlraum
    110,120,410,420
    gegenüberliegende Wände
    150
    Arbeitsfluid
    151
    Flüssigphase des Arbeitsfluid
    152
    Gasphase des Arbeitsfluid
    155, 156
    Abschnitte des Dampfraumes
    160
    Wärmekreislauf
    200
    Kapillarstützstruktur
    210
    Falten
    240
    Dreiecksstrukturen zur mechanischen Stabilität
    470
    Kapillarstruktur
    L
    Länge Wärmeübertragungsvorrichtung
    R
    Faltungsrichtung
    t
    Abstand gegenüberliegende Wände, Dicke des Hohlraumes

Claims (11)

  1. Planare Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmeverteilung und zum
    Abtransport von Wärme von einer planaren Wärmequelle (50),
    mit einem Hohlraum (100), der durch eine erste Wand (110) zum Koppeln an die planare Wärmequelle (50) und eine gegenüberliegende zweite Wand (120) begrenzt ist und ein Arbeitsfluid (150) aufweist, wobei der Hohlraum (100) vakuumdicht abgeschlossen ist, um einen Dampfraum für das Arbeitsfluid (150) zu bilden,
    gekennzeichnet durch eine Kapillarstützstruktur (200) aus einem kapillar wirkenden Drahtgeflecht, wobei die Kapillarstützstruktur (200) in zumindest einer Richtung (R) sich gefaltet zwischen der ersten Wand (110) und der zweiten Wand (120) erstreckt, um eine Stützwirkung und eine Kapillarwirkung für kondensiertes Arbeitsfluid (151) bereitzustellen, sodass ein Transport von kondensiertem Arbeitsfluid durch die Kapillarstützstruktur (200) von der zweiten Wand (120) zu der ersten Wand (110) möglich ist, und wobei Falten (210) der Kapillarstützstruktur (200) den Hohlraum (100) in mehrere Abschnitte (155, 156) trennen, und
    wobei die Kapillarstützstruktur (200) eine mechanische Stabilität aufweist, um die erste Wand (110) und die zweite Wand (120) in einem vorbestimmten Abstand voneinander zu halten.
  2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Falten (210) der Kapillarstützstruktur (200), an denen die Kapillarstützstruktur (200) in Kontakt mit der ersten Wand (110) gelangt, angepasst ist, um
    - eine möglichst vollständige Benetzung der ersten Wand (110) zu erreichen, und
    - zwischen den benachbarten Falten (210) einen Abschnitt des Dampfraumes zu bilden, in dem zirkulierendes Arbeitsfluid einen Wärmekreislauf (160) von gasförmigen und dem kondensierten Arbeitsfluid (152, 151) bilden kann.
  3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapillarstützstruktur (200) ausgebildet ist, um die erste Wand (110) und die zweite Wand (120) in einem vorbestimmten Abstand parallel voneinander zu halten.
  4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, die weiter einen oder mehrere zusätzliche Abstandshalter aufweist, um den vorbestimmten Abstand sicherzustellen.
  5. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Arbeitsfluid (150) die erste Wand (110) eine Verdampfungsoberfläche und die zweite Wand (120) eine Kondensationsoberfläche bilden, und
    wobei die Kapillarstützstruktur (200) sich zumindest teilweise parallel entlang der zweiten Wand (120) erstreckt, um kondensiertes Arbeitsfluid (151) entgegen der Gravitation entlang der zweiten Wand (120) zu transportieren.
  6. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapillarstützstruktur (200) vereinzelte vergrößerte Öffnungen aufweist, um eine Durchlässigkeit der Kapillarstützstruktur (200) für gasförmiges Arbeitsfluid (152) zu erreichen, ohne die Kapillarwirkung für flüssiges Arbeitsfluid (151) zu verlieren.
  7. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entlang der zweiten Wand (120) eine weitere Kapillarstruktur ausgebildet ist, um einen Transport von kondensiertem Arbeitsfluid (151) entgegen der Gravitation von einem Faltenzwischenraum (155) zu einem benachbarten Faltenzwischenraum (156) entlang der zweiten Wand (120) zu ermöglichen.
  8. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter Kühlrippen in einem Randbereich des Hohlraumes (100) aufweist, um eine Wärmesenke in dem Randbereich zu bilden, wobei der Randbereich in der Richtung (R) des Faltens liegt.
  9. Verwendung der Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in zumindest einem der folgenden Anwendungen:
    - zur Kühlung von Photovoltaikanlagen;
    - zur Kühlung von Wänden von Gebäuden;
    - zum Abtransport von Wärme aus Innenräumen;
    - zum Kühlen von Elektronikbauteilen.
  10. Verfahren zur Herstellung einer planaren Wärmeübertragungsvorrichtung, die zur Wärmeverteilung und zum Abtransport von Wärme von einer planaren Wärmequelle (50) vorgesehen ist,
    gekennzeichnet durch:
    Bereitstellen (S310) einer Kapillarstützstruktur (200) aus einem kapillar wirkenden Drahtgeflecht, wobei die Kapillarstützstruktur (200) eine Stützwirkung und eine Kapillarwirkung für kondensiertes Arbeitsfluid (151) bereitstellt; und
    Bilden (S320) eines Hohlraums (100) mit einer ersten Wand (110) zum Koppeln an die planare Wärmequelle und einer gegenüberliegenden zweiten Wand (120), wobei in zumindest einer Richtung (R) die Kapillarstützstruktur (200) sich zwischen der ersten Wand (110) und der zweiten Wand (120) gefaltet erstreckt, um einen Transport von kondensiertem Arbeitsfluid (151) durch die Kapillarstützstruktur (200) von der zweiten Wand (120) zu der ersten Wand (110) zu ermöglichen, wobei der Hohlraum (100) vakuumdicht abgeschlossen wird, um einen Dampfraum für das Arbeitsfluid (150) zu bilden, und wobei Falten (210) der Kapillarstützstruktur (200) den Hohlraum (100) in mehrere Abschnitte (155, 156) trennen, und wobei die Kapillarstützstruktur (200) eine mechanische Stabilität aufweist, um die erste Wand (110) und die zweite Wand (120) in einem vorbestimmten Abstand voneinander zu halten.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der gebildete Hohlraum (100) eine Öffnung aufweist und das Verfahren weiter zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:
    - Entfernen von Luft aus dem Hohlraum (100) über die Öffnung;
    - Einbringen von Arbeitsfluid in den Hohlraum (100) durch die Öffnung;
    - vakuumdichtes Verschließen der Öffnung.
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