WO2011128202A1 - Elektrisch isoliertes wärmerohr mit teilbereichen aus glas - Google Patents

Elektrisch isoliertes wärmerohr mit teilbereichen aus glas Download PDF

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WO2011128202A1
WO2011128202A1 PCT/EP2011/054776 EP2011054776W WO2011128202A1 WO 2011128202 A1 WO2011128202 A1 WO 2011128202A1 EP 2011054776 W EP2011054776 W EP 2011054776W WO 2011128202 A1 WO2011128202 A1 WO 2011128202A1
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heat pipe
glass
wiek
glass tube
evaporator
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PCT/EP2011/054776
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Gerhard Doell
Svetlana Levchuk
Gerhard Mitic
Johann Otto
Wolfgang Pabst
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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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
    • F28D15/04—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
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/24—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for electrical insulation

Definitions

  • the present invention relates to a heat pipe and into ⁇ a special heat pipe with integrated capillaries according to the preamble of claim 1.
  • a heat pipe is a heat exchanger which, using the heat of vaporization of a substance, allows a high heat flow density, that is, can transport large amounts of heat on a small cross-sectional area.
  • the thermal resistance of such a heat pipe is significantly smaller than that of a solid metal rod.
  • the behavior of the heat pipe therefore equals an isothermal state change.
  • heat pipes are much lighter than conventional heat exchangers under the same operating conditions with the same transmission power.
  • thermosiphon is a gravity-driven heat pipe (also called a gravitational tube) in which a working fluid is kept in circulation due to gravity. Accordingly, a working medium is evaporated in a ⁇ cut Verdampferab, rises to a condenser portion of the heat pipe, condenses there and flows subsequently automatically in the evaporator by gravity back.
  • a heat pipe represents a kind of heat pipe, within which the working medium is returned to the evaporator with capillaries according to the wick principle (so-called Wiek structure). Therefore, the condensed fluid flows lageu ⁇ ntouch in the capillary back to the evaporator.
  • Heatpipes therefore also work in microgravity, gegebe ⁇ appropriate, even against gravity. They are less susceptible to drying out as compared to the above-mentioned thermosyphon, since the liquid flow through the wick structure is significantly improved, which also leads to a higher transferable performance.
  • the wick also ensures that the heat can be added and removed everywhere. From the well-known prior art heat pipes are used according to the above definition for cooling in many areas of both the micro and counselelektro ⁇ technology , as well as the optoelectronics for thermal management. In general, a heat pipe and its inner Wiek structure are made of copper or aluminum.
  • heatpipes must be made of electrically insulating materials.
  • ceramic heatpipes are available, as the high dielectric strength of ceramics allows the insulation of several kilovolts along the heatpipe.
  • the application of such heat pipes is per ⁇ but so far mainly restricted to military applications because they do poorly on complicated adapted geometric boundary conditions and beyond are relatively expensive.
  • heat pipes of the above class for heat dissipation / heat input are generally dispensed with.
  • electrically isolated structures with insulators are used, which, however, lead to increased thermal resistance and, moreover, make only slightly flexible geometrical solutions possible.
  • the electrically insulating tube element is made of glass, in particular soft glass, tempered glass or quartz glass. Glass can easily be cast or drawn into any shape and also has a high electrical resistance. Glass is therefore particularly suitable as electrical resistance. Furthermore, not only the processing but also the provision of suitable glass compared to ceramic material is relatively cheap and can therefore form the basis for the industrial use of heat pipes heatpipe design in civilian areas.
  • the electrically insulating pipe element made of ceramic, in particular Al 2 O 3 , ZrÜ 2 , A1N or S1 3 N 4 is made.
  • herovr- projecting insulating ceramic may have advantageous mechanical properties such as specific thermi ⁇ especially in comparison to glass.
  • the evaporator and condenser section each consist of egg ⁇ nem end or end closed metal tube, which are each connected at its other end faces on the tube member having or completely constructed from the tubular element capillary section fluid-tight.
  • copper or aluminum with a high thermal conductivity is suitable as the metal.
  • the pipe element It is also advantageous to equip the pipe element with a Wiek structure, which is preferably formed electrically insulating.
  • the Wiek structure consists of glass within the glass tube element and is furthermore preferably formed from a fused glass powder and / or is mechanically incorporated as a groove structure when the glass tube element is pulled. In this way, the functionality of the heat pipe with respect to the promotion of condensed working medium from the condenser section to the evaporator section maintained.
  • the working medium it is preferable to use media having high dielectric strength in the liquid and gaseous phases (e.g., Fluorinert® or deionized water). This includes in particular that the working medium is electrically insulating both in the liquid and gaseous state of aggregation.
  • media having high dielectric strength e.g., Fluorinert® or deionized water.
  • working fluids which are liquid up to specified lower temperature limits (e.g., -40 ° C in the automotive field).
  • a temperature may also be, for example, at -50 ° C.
  • Another aspect of the invention provides to adapt the Wick structure within the glass tube element to the Wickstruk ⁇ structures in the evaporator and condenser section, so that a transition between the Wick structures in the individual sections and the glass tube element is ensured without interruption.
  • Preference should be Wiek structures within the evaporator and Kondensa ⁇ torabitess also made of glass, preferably from a molten glass powder. This measure has the effect that the capillary action of the Wiek structure remains unimpaired over the entire length of the heat pipe. It is advantageous if the Wiek structure is formed in cross-section to a circular ring, which forms a steam channel inside.
  • the heat pipe can have a closed circuit without capillary structure in the glass tube area and thus only work with the support of gravity as a thermosiphon. In this case, several partial areas of glass can be inserted for electrical insulation. Further advantageous embodiments of the invention are in the rest of the subject of the dependent claims.
  • Fig. 1 shows the basic longitudinal section of a heat pipe ge ⁇
  • Gurss a preferred exemplary embodiment of the invention ⁇ and
  • Fig. 2 shows the cross section of the heat pipe according to the invention by the glass tube element used.
  • the heat pipe 1 consists of an axially centrally arranged glass tube element 2, which could be with and without a capillary structure. At both axial ends (end sections) of the glass tube element 2, this is connected in a fluid-tight manner to a hermetically sealed volume within the heatpipe 1, in each case with a metal tube 4, 6 closed at the axial end.
  • a Wiek structure 8, 14, 16 is incorporated. tet or formed, as shown in Fig. 2 in cross section.
  • the Wiek-structure 8 in the heat pipe section made of glass 2 can be made for example from an on ⁇ sealed glass powder or may be mechanically incorporated as a groove structure in pulling the glass tube element.
  • the Wiek structure 8 forms the outer shape of a circular ring (in cross-section) or a sleeve in which a through-channel 10 for guiding the vaporous working medium (17) is formed.
  • An analog Wiek structure 14, 16 is further introduced in the subsequent on both sides of the glass tube element Metallroh ⁇ ren 4, 6.
  • the Wiek-structure 14, 16, 8 no interruption over the entire length of the heat pipe 1, in particular at the transition from the glass pipe element 2 into the respective metal tube sections 4, comprise. 6
  • One possibility here is the Wiek-structure 14, 16, 8 to manufacture separately from the glass tube element 2, having a length corresponding to the axial length of the entire heat pipe 1, so both sides of the glass ⁇ tube member 2 into the metal pipe sections 4, 6 projects.
  • the left metal pipe 4 shown therein acts as the evaporator and the right metal tube 6 as a condenser, the corresponding fins 12 has up to discharge the heat loss to the environment (beispielswei ⁇ se air).
  • the cooling fins 12 can be directly soldered to the metal pipe 6 on the outside or be adhesively bonded to heat. It is also conceivable for this purpose the use of so-called finned tubes, in which the metal tube 6 and the cooling fins 12 is mechanically a component.
  • both metal pipe sections 4, 6 are made of a copper or aluminum material.
  • the left, acting as an evaporator metal tube 4 may have an electrical potential of several kilovolts compared to the right, acting as an evaporator metal tube 6, wherein the insulation and partial discharge resistance is ensured by the glass tube element.
  • the mode of operation of the heat pipe according to the invention further corresponds essentially to that of a conventional heat pipe known from the prior art and will therefore be described below in principle only with reference to FIG. 1.
  • the according to the Fig. 1 left metal tube (Verdampferab- section 4) can stand according to the invention with a voltage lead ⁇ the component in direct thermal contact. Due to the heat dissipated by the live component heat loss in the heat pipe according to the invention hermetically sealed working fluid 17 is evaporated through the heat-conductive metal tube 4, whereby the voltage ⁇ leading component heat is removed. The now vaporous working medium 17 then passes along the ⁇ formed steam channel 10 through the glass tube element 2 in the opposite metal tube 6 (condenser section), on the outside of the cooling fins 12 are angeord ⁇ net and which of a cooling medium, such as wise air, is flowed around.
  • a cooling medium such as wise air
  • the vaporous working medium 17 is cooled accordingly and, upon change in its physical form in the liquid phase heat to the order ⁇ bient.
  • the now liquid working medium is finally guided via the Wiek structure 14, 8, 16 in the two metal pipe sections 4, 6 and the glass tube element 2 from the condenser section back to the evaporator section by the capillary action.
  • the glass tube element 2 additionally acts as an electrical insulator, which prevents penetration of an electrical current from the evaporator section 4 onto the condenser section 6.
  • the glass tube element 2 according to FIG. 1 is shown as a straight tube, it has an almost arbitrary shape
  • the condenser section 6 may also be surrounded by a liquid such as water and grounded.
  • the present invention discloses consequently in principle a heat pipe having an evaporator section 4 and a con ⁇ densatorabites 6 (each made of metal) which are fluid-connected to each other via a glass tube section 2 (through the inner steam passage 10 and the Wiek- or wicking structure 14, 8, 16).
  • the evaporator and condenser sections 4 6 are the Glasrohrab ⁇ section 2 on either side (axial end faces) are connected.

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Abstract

Offenbart wird ein Wärmerohr, insbesondere Heatpipe (1), mit einem Verdampferabschnitt (4) und einem Kondensatorabschnitt (6), die über einen Bereich (2) miteinander fluidverbunden sind. Erfindungsgemäß besteht zumindest eine Teillänge dieses Bereichs (2) oder der gesamte Bereich aus einem Glasrohrelement (2), an dem beidseits die Verdampfer- und Kondensatorabschnitte (4,6) angeschlossen sind. Dieses Glasrohrelement (2) kann mit einer und ohne eine Kapillarenstruktur sein.

Description

Beschreibung
Elektrisch isoliertes Wärmerohr mit Teilbereichen aus Glas
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerohr und ins¬ besondere ein Heatpipe mit integrierten Kapillaren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Prinzipiell ist ein Wärmerohr ein Wärmeüberträger, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, das heißt auf kleiner Querschnittsfläche große Mengen von Wärme transportieren kann. Der Wärmewiderstand eines solchen Wärmerohrs ist deutlich kleiner als der eines massiven Metallstabs. Das Verhalten des Wärmerohrs kommt daher einer isothermen Zu- standsänderung gleich. Insofern sind bei gleicher Übertragungsleistung Wärmerohre wesentlich leichter als her- kömmliche Wärmeüberträger unter gleichen Einsatzbedingungen .
In der Regel werden Wärmerohre in Heatpipes sowie Thermo- syphons unterteilt. Als Thermosyphon bezeichnet man ein Schwerkraft getriebenes Wärmerohr (auch Gravitationswär- merohr bezeichnet) , bei welchem ein Arbeitsmedium aufgrund der Schwerkraft in Zirkulation gehalten wird. Demzufolge wird ein Arbeitsmedium in einem Verdampferab¬ schnitt verdampft, steigt zu einem Kondensatorabschnitt des Wärmerohrs auf, kondensiert dort und fließt anschlie- ßend selbstständig in den Verdampfer schwerkraftsbedingt zurück . Eine Heatpipe stellt eine Art Wärmerohr dar, innerhalb dessen das Arbeitsmedium mit Kapillaren nach dem Dochtprinzip (sogenannte Wiek-Struktur) zum Verdampfer zurück- geführt wird. Das kondensierte Fluid fließt daher lageu¬ nabhängig in der Kapillare zurück zum Verdampfer. Heatpipes arbeiten daher auch unter Schwerelosigkeit, gegebe¬ nenfalls auch entgegen der Schwerkraft. Sie neigen im Vergleich zu dem vorstehend genannten Thermosyphon weni- ger zum Austrocknen, da der Flüssigkeitsstrom durch die Dochtstruktur maßgeblich verbessert wird, was darüber hinaus zu einer höheren übertragbaren Leistung führt.
Der Docht sorgt außerdem dafür, dass die Wärme überall zu- und abgeführt werden kann. Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik werden Heatpipes gemäß vorstehender Definition zur Kühlung in vielen Bereichen sowohl der Mikro- und Leistungselektro¬ nik, als auch der Optoelektronik zum thermischen Management eingesetzt. Im Allgemeinen bestehen eine Heatpipe sowie ihre innere Wiek-Struktur aus Kupfer oder Aluminium.
Falls eine Isolation spannungsführender Komponenten notwendig ist, müssen Heatpipes aus elektrisch isolierenden Materialien ausgebildet werden. Hierfür sind Heatpipes aus Keramik verfügbar, da die hohe Spannungsfestigkeit von Keramiken die Isolation mehrerer Kilovolt entlang der Heatpipe erlaubt. Die Anwendung solcher Heatpipes ist je¬ doch bisher im Wesentlichen nur auf militärische Anwendungen beschränkt, weil sie sich nur schlecht an kompli- zierte geometrische Randbedingungen anpassen lassen und darüber hinaus verhältnismäßig teuer sind.
Bei Anwendungen, die eine elektrische Isolation im Kühlkreislauf erforderlich machen, wird daher im Allgemeinen auf Heatpipes der vorstehenden Gattung zur Wärmeableitung/Wärmeeinspeisung verzichtet. Statt dessen werden elektrisch isolierte Aufbauten mit Isolatoren eingesetzt, die jedoch zu einem erhöhten thermischen Widerstand führen und darüber hinaus nur wenig flexible geometrische Lösungen ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Angesichts dieser Problematik ist es die Aufgabe der vor¬ liegenden Erfindung, ein Heatpipe bereit zu stellen, welches vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist und darüber hinaus für den Einsatz an spannungsführenden Kom- ponenten geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Heatpipe mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht demzufolge darin, das einen Verdampferabschnitt sowie einen Kondensatorabschnitt aufwei- sende Heatpipe mit einem den Verdampfer- und Kondensatorabschnitt fluidverbindenden, elektrisch isolierenden Rohrabschnitt auszubilden, der mit der oder ohne die Kapil¬ larenstruktur versehen ist.
Vorteilhafterweise ist das elektrisch isolierende Rohr- element aus Glas, insbesondere Weichglas, Hartglas oder Quarzglas, gefertigt. Glas lässt sich auf einfache Weise in beliebige Formen gießen oder ziehen und weist darüber hinaus einen hohen elektrischen Widerstand auf. Glas ist daher besonders als elektrischer Widerstand geeignet. Des Weiteren ist nicht nur die Bearbeitung sondern auch die Bereitstellung von geeignetem Glas gegenüber Keramikmaterial vergleichsweise günstig und kann daher die Grundlage für den industriellen Einsatz von Wärmerohren der Heatpi- pe-Bauart auch in zivilen Bereichen bilden.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das elektrisch isolierende Rohrelement aus Keramik, insbesondere AI2O3, ZrÜ2, A1N oder S13N4 gefertigt. Neben herovr- ragenden Isoliereigenschaften kann Keramik insbesondere im Vergleich zu Glas vorteilhafte mechanische wie thermi¬ sche Eigenschaften aufweisen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung besteht der Verdampfer- und Kondensatorabschnitt jeweils aus ei¬ nem stirn- bzw. endseitig verschlossenen Metallrohr, die jeweils an ihren anderen Stirnseiten an dem das Rohrelement aufweisenden oder aus dem Rohrelement vollständig aufgebauten Kapillarenabschnitt fluiddicht angeschlossen sind. Als Metall eignet sich dabei insbesondere Kupfer oder Aluminium mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit.
Vorteilhaft ist ferner, auch das Rohrelement mit einer Wiek-Struktur auszustatten, wobei diese bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildet ist. Vorteilhaft hierfür ist, dass die Wiek-Struktur innerhalb des Glasrohrele- ments aus Glas besteht und dabei weiter vorzugsweise aus einem angeschmolzenen Glaspulver gebildet wird und/oder beim Ziehen des Glasrohrelements mechanisch als Rillenstruktur eingearbeitet ist. Auf diese Weise wird die Funktionsfähigkeit des Heatpipe bezüglich des Förderns von kondensiertem Arbeitsmedium von dem Kondensatorabschnitt zum Verdampferabschnitt aufrechterhalten.
Als Arbeitsmedium können bevorzugt Medien mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit in der flüssigen und gasförmigen Phase (z.B. Fluorinert® oder deionisiertes Wasser) eingesetzt werden. Dies umfasst insbesondere, dass das Arbeitsmedium sowohl im flüssigen als auch gasförmigen Aggregatszustand elektrisch isolierend ist.
Für Anwendungen im Außenbereich können bevorzugt Arbeits- medien verwendet werden, die bis zu für den Einsatzzweck spezifizierten unteren Temperaturgrenzen (z.B. -40°C im Automobilbereich) flüssig sind. Eine solche Temperatur kann beispielsweise auch bei -50° C liegen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, die Wick- Struktur innerhalb des Glasrohrelements an die Wickstruk¬ turen im Verdampfer- und Kondensatorabschnitt anzupassen, sodass ein Übergang zwischen den Wick-Stukturen in den einzelnen Abschnitten sowie dem Glasrohrelement ohne Unterbrechung gewährleistet wird. Bevorzugt die sollen Wiek-Strukturen innerhalb des Verdampfer- und Kondensa¬ torabschnitts ebenfalls aus Glas, vorzugsweise aus einem angeschmolzenen Glaspulver bestehen. Diese Maßnahme bewirkt, dass die Kapillarwirkung der Wiek-Struktur über die gesamte Länge des Heatpipe unbeeinträchtigt bleibt. Es ist von Vorteil, wenn die Wiek-Struktur im Querschnitt zu einem Kreisring geformt ist, der im Inneren einen Dampfkanal ausbildet.
Das Wärmerohr kann einen geschlossenen Kreislauf ohne Kapillarenstruktur im Glasrohrbereich aufweisen und damit nur mit der Unterstützung der Gravitation als Thermosi- phon funktionieren. In diesem Fall können zur elektrischen Isolation mehrere Teilberei-che aus Glas eingefügt werden . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im übrigen Gegenstand der Unteransprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert werden. Diese Figuren zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Längsschnitt eines Heatpipe ge¬ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er¬ findung und
Fig. 2 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Heatpipe durch das eingesetzte Glasrohrelement.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Gemäß der Fig. 1 besteht das erfindungsgemäße Heatpipe 1 aus einem axial mittig angeordneten Glasrohrelement 2, welches mit einer und ohne eine Kapillarenstruktur sein könnte. An beiden axialen Enden (Endabschnitten) des Glasrohrelements 2 ist dieses mit jeweils einem axial endseitig verschlossenen Metallrohr 4, 6 fluiddicht unter Ausbildung eines hermetisch abgeschlossenen Volumens innerhalb des Heatpipes 1 verbunden. Innerhalb des ganzen Heatpipes 1 ist eine Wiek-Struktur 8, 14, 16 eingearbei- tet bzw. ausgeformt, wie sie in der Fig. 2 im Querschnitt dargestellt ist. Die Wiek-Struktur 8 in dem Heatpipe- Abschnitt aus Glas 2 kann beispielsweise aus einem ange¬ schmolzenen Glaspulver bestehen bzw. kann beim Ziehen des Glasrohrelements 2 mechanisch als Rillenstruktur eingearbeitet sein. Hierbei bildet die Wiek-Struktur 8 gemäß der Fig. 2 die äußere Form eines Kreisrings (im Querschnitt) bzw. eine Hülse, in der ein Durchgangskanal 10 für das Führen des dampfförmigen Arbeitsmediums (17) ausgebildet ist. Eine analoge Wiek-Struktur 14, 16 ist ferner in den beidseits des Glasrohrelements anschließenden Metallroh¬ ren 4, 6 durchgehend eingebracht. Um hierbei die voll¬ ständige Funktionalität des Wieks sicherzustellen, darf die Wiek-Struktur 14, 16, 8 über die gesamte Länge des Heatpipe 1 keine Unterbrechung, insbesondere am Übergang vom Glasrohrelement 2 in die jeweiligen Metallrohrstücke 4, 6 aufweisen. Eine Möglichkeit ist es hierbei, die Wiek-Struktur 14, 16, 8 separat zu dem Glasrohrelement 2 zu fertigen, mit einer Länge, die der axialen Länge des gesamten Heatpipes 1 entspricht, also beidseits des Glas¬ rohrelements 2 in die Metallrohrstücke 4, 6 vorragt.
Entsprechend der Fig. 1 fungiert das dort gezeigte linke Metallrohr 4 als Verdampfer und das rechte Metallrohr 6 als ein Kondensator, das entsprechende Kühlrippen 12 auf- weist, um die Verlustwärme an die Umgebung (beispielswei¬ se Luft) abzugeben. Die Kühlrippen 12 können dabei an das Metallrohr 6 außenseitig unmittelbar angelötet sein oder wärmeleitfähig angeklebt werden. Denkbar ist hierfür auch der Einsatz von sogenannten Rippenrohren, bei welchen das Metallrohr 6 sowie die Kühlrippen 12 mechanisch ein Bauteil darstellt. Vorzugsweise sind hierbei beide Metallrohrstücke 4, 6 aus einem Kupfer- oder Aluminiummaterial gefertigt. Durch die elektrische Isolationsstrecke des Glasrohrelements 2 kann das linke, als Verdampfer wirkende Metallrohr 4 ein elektrische Potential von mehreren Kilovolt gegenüber dem rechten, als Verdampfer wirkenden Metallrohr 6 aufweisen, wobei die Isolations- und Teilentladungsfestigkeit durch das Glasrohrelement sichergestellt wird. Durch die leich¬ te Verarbeitbarkeit des Glasrohrelements 2 können dabei vielseitige geometrische Lösungen realisiert werden, die im Vergleich hierzu bei Keramikrohrelementen gemäß dem Stand der Technik nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich wären.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Heatpipe ent- spricht ferner im Wesentlichen jener eines aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Heatpipes und wird daher anhand der Fig. 1 nachfolgend lediglich prinzipiell beschrieben .
Das gemäß der Fig. 1 linke Metallrohr (Verdampferab- schnitt 4) kann erfindungsgemäß mit einem spannungsführen¬ den Bauteil in unmittelbarem Wärmekontakt stehen. Durch die von dem spannungsführenden Bauteil abgegebene Verlustwärme wird ein in der erfindungsgemäßen Heatpipe hermetisch abgeschlossenes Arbeitsmedium 17 über das wärme- leitfähige Metallrohr 4 verdampft, wodurch dem spannungs¬ führenden Bauteil Wärme entzogen wird. Das nunmehr dampfförmige Arbeitsmedium 17 gelangt daraufhin längs des aus¬ gebildeten Dampfkanals 10 durch das Glasrohrelement 2 in das gegenüberliegende Metallrohr 6 (Kondensatorab- schnitt) , an dessen Außenseite die Kühlrippen 12 angeord¬ net sind und welche von einem Kühlmedium, wie beispiels- weise Luft, umströmt wird. Das dampfförmige Arbeitsmedium 17 wird demzufolge abgekühlt und gibt bei Änderung seines Aggregatzustands in das flüssige Stadium Wärme an die Um¬ gebungsluft ab. Das nunmehr flüssige Arbeitsmedium wird schließlich über die Wiek-Struktur 14, 8, 16 in den beiden Metallrohrstücken 4, 6 sowie dem Glasrohrelement 2 vom Kondensatorabschnitt zurück zum Verdampferabschnitt durch die Kapillarwirkung geführt.
Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, wirkt das Glas- rohrelement 2 zusätzlich als elektrischer Isolator, der ein Durchschlagen eines elektrischen Stroms vom Verdampferabschnitt 4 auf den Kondensatorabschnitt 6 verhindert.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass obgleich das Glasrohrelement 2 gemäß der Fig. 1 als eine gerade Röhre dargestellt ist, dieses eine nahezu beliebige Form
(z. B. Schlangen- oder Spiralform) annehmen kann.
Des Weiteren ist gemäß der Fig. 1 der Kondensatorab¬ schnitt 6 von Luft umströmt. Alternativ hierzu kann der Kondensatorabschnitt 6 auch von einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser umgeben sowie geerdet sein.
Die Erfindung offenbart demzufolge grundsätzlich ein Heatpipe mit einem Verdampferabschnitt 4 sowie einem Kon¬ densatorabschnitt 6 (jeweils aus Metall), die über einen Glasrohrabschnitt 2 miteinander fluidverbunden sind (durch den inneren Dampfkanal 10 sowie die Wiek- bzw. Docht- Struktur 14, 8, 16) . Erfindungsgemäß sind die Verdampfer- 4 und Kondensatorabschnitte 6 (fluiddicht) am Glasrohrab¬ schnitt 2 beidseits (axiale Stirnseiten) angeschlossen.

Claims

Ansprüche
Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, mit einem Verdamp¬ ferabschnitt (4)und einem Kondensatorabschnitt (6), die über einen Bereich (2) miteinander fluidverbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teillänge des Bereichs (2) aus einem elektrisch iso¬ lierenden Rohrelement besteht.
2. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolie¬ rende Rohrelement aus Glas, insbesondere Weichglas, Hartglas oder Quarzglas, gefertigt ist.
3. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolie¬ rende Rohrelement aus Keramik, insbesondere AI2O3, Zr02 A1N oder Si3N4) gefertigt ist.
4. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer- (4) und Kondensatorabschnitt (6) jeweils aus einem Metallrohr besteht, das an seinem jeweils freien Ende verschlossen ist und das an seinem gege- nüberliegenden Ende fluiddicht mit dem Glasrohrele¬ ment (2) stirnseitig verbunden ist, um ein hermetisch abgeschlossenes Volumen auszubilden.
5. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasrohrelement (2) eine Wiek-Struktur (8) vorzugs¬ weise an dessen innerer Mantelfläche hat.
6. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiek-Struktur (8) elektrisch isolierendes Material umfasst, insbesonde¬ re aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist.
7. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiek-Struktur (8) innerhalb des Glasrohrelements (2) aus Glas besteht und vorzugsweise aus einem ange¬ schmolzenen Glaspulver gebildet und/oder beim Ziehen des Glasrohrelements (2) mechanisch als Rillenstruktur eingearbeitet ist.
Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdampfer- (4) und Kondensatorabschnitt (6) jeweils eine zur Wiek-Struktur (8) innerhalb des Glasrohrele¬ ments (2) analoge Wiek-Struktur (14, 16) eingebracht ist, die vorzugsweise ohne Unterbrechung in die Wiek- Struktur (8) innerhalb des Glasrohrelements (2) über¬ geht .
Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiek-Strukturen (14, 16) innerhalb des Verdampfer- (4) und Kondensatorab¬ schnitts (6) ebenfalls aus Glas, vorzugsweise aus ei¬ nem angeschmolzenen Glaspulver bestehen. 10. Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiek-Strukturen (8, 14, 16) innerhalb des Glasrohrelements (2) sowie der Verdampfer- (4) und Kondensatorabschnitte (6) einen einstückig ausgebildeten Kapillarkörper darstellen.
Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiek-Struktur (8) im Querschnitt zu einem Kreisring geformt ist, der im Inneren einen Dampfkanal (10) ausbildet.
Wärmerohr nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als geschlossener Kreislauf ohne Ka¬ pillarenstruktur im Glasrohrbereich (2) ausgebildet ist und damit nur mit der Unterstützung der Gravita¬ tion als Thermosiphon funktioniert.
Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (17) sowohl im flüssigen als auch gasförmigen Aggregatszustand elektrisch isolierend ist.
PCT/EP2011/054776 2010-04-13 2011-03-29 Elektrisch isoliertes wärmerohr mit teilbereichen aus glas WO2011128202A1 (de)

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