WO2020094182A1 - Heat transport unit - Google Patents

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WO2020094182A1
WO2020094182A1 PCT/DE2019/100936 DE2019100936W WO2020094182A1 WO 2020094182 A1 WO2020094182 A1 WO 2020094182A1 DE 2019100936 W DE2019100936 W DE 2019100936W WO 2020094182 A1 WO2020094182 A1 WO 2020094182A1
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transport unit
heat transport
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PCT/DE2019/100936
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Lea Kelbsch
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Lea Kelbsch
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a heat transport unit, which is designed in particular as a flexible heat pipe, according to the preamble of claim 1.
  • Heat pipes are also known under the term "heat pipes". Such heat pipes have an evaporation area, where a fluid used as a heat carrier is evaporated by supplying heat. The vaporous fluid passes through a pipe section to a condensation area, where the vaporous fluid is cooled and condensed. The liquid fluid is led back to the evaporation area via a capillary structure, so that there is a constant heat transport circuit from the evaporation area to the condensation area.
  • heat pipes is known from DE 10 2010 003 893 Al.
  • the utility model DE 203 20 409 EU discloses a geothermal probe with an inner tube and an outer tube concentrically surrounding the inner tube. Geothermal heat evaporates a fluid in the lower end of the geothermal probe. The gaseous fluid rises in the inner tube and is condensed again by heat being released at an upper end of the geothermal probe. The condensed fluid flows down again through an annular gap between the outer tube and the inner tube.
  • Heat pipes can also be used to transfer heat from an evaporation area to a condensation area against gravity, since the capillary action enables the fluid to be transported back from the condensation area to the evaporation area against gravity.
  • heat pipes that are operated by gravity, with the liquid fluid flowing back from the condensation area to the evaporation area due to gravity.
  • heat pipes are extremely versatile and is in no way limited to applications in the field of micro or power electronics. LED components, rechargeable high-performance batteries (accumulators) or other elements with high heat loss can also be effectively cooled using heat pipes. It is desirable that the circulation circuit between the evaporation area and the condensation area has the highest possible circulation speed, i. H. that as much fluid as possible is transported from the evaporation area to the condensation area and back to the evaporation area per unit of time, whereby an improvement in the heat transfer from the evaporation area to the condensation area is achieved.
  • the invention has for its object to provide a tubular heat transport unit, which has the function of a heat pipe with high heat transfer performance.
  • the heat transport unit according to the invention which has the function of a heat pipe and has an evaporation area and a condensation area connected to it via a line area, has a line area which consists of two connecting lines, with vaporized fluid passing from the evaporation area to the condensation area and over via one of the two connecting lines the other connecting line condensed fluid flows back to the evaporation area.
  • the use of two connecting lines between the evaporation area and the condensation area has the advantage that the cooled fluid flowing back does not get impaired in its flow rate by the evaporated fluid flowing to the condensation area. Tests have shown that with this arrangement a high circulation speed and thus a very effective heat transfer from the evaporation area to the condensation area of the heat transport unit can be achieved.
  • the heat transport unit according to the invention is in particular tubular or tubular and in particular at least the line area is flexible, so that the heat transport unit can be bent at least in the line area.
  • a flexible pipe area has the advantage that it can be bent without any significant effort. "Without any noteworthy effort” means a bending of the line area without a bending force or in any case with a lower bending force than is required to bend a plastically bendable pipe as a connecting line.
  • the heat transport unit according to the invention is hermetically sealed, so that a fluid contained as a heat carrier cannot escape and no fluid can enter from the outside.
  • the fluid in the heat transport unit is partly liquid and partly gaseous.
  • the two connecting lines have different flow resistances for the fluid. Because of the different flow resistances, the vaporized fluid prefers one of the two connecting lines, so that this results in a fluid circuit in the heat transport unit.
  • the cross-sectional area of a connecting line provided for the conduction of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area is larger as a connecting line provided for the return of the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area. It is thereby achieved that gas bubbles rising in the evaporation area predominantly reach the connecting line which has the larger cross-sectional area during the evaporation process, so that the one connecting line for the transport of the fluid from the evaporation area to the condensation area is specifically specified.
  • the other connecting line is then inevitably used as a return line for the condensed and cooled fluid.
  • the cross-sectional area of the connecting line provided for the conduction of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area is preferably at least twice as large as the cross-sectional area of the connecting line provided for returning the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area.
  • the cross-sectional area ratio of the connecting lines is 1.8 ⁇ 0, 1 or 1.8, 0.2 or 2 ⁇ 0, 1 or 2 ⁇ 0.2.
  • One embodiment of the invention provides that a contact resistance of the connecting line, which is provided for the return of the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area, is approximately twice as large as the transition resistance of the connecting line, which is provided for the conduction of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area .
  • “About” means a contact resistance tolerance of up to 5%, up to 10% or up to 20%.
  • the transition resistance is a flow resistance of the fluid and, if necessary, an additional resistance that the gas bubbles created during evaporation oppose the flow.
  • One embodiment of the invention provides that a passage width of the connecting line provided for the return of the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area is smaller than a diameter of gas bubbles which arise in the evaporation area when the fluid evaporates.
  • the diameter of the gas bubbles can, but need not, be larger than a diameter of the connecting line provided for the conduction of the fluid from the evaporation region to the condensation region. This prevents or at least reduces the entry of the gas bubbles into the connecting line provided for the return line of the condensed fluid.
  • gas bubbles formed during the boiling and vaporization of the fluid in the evaporation area produce a pulsating pressure, which resistance in the connecting line with the smaller flow or the larger cross-sectional area continues more than in the other connecting line, whereby the desired flow direction without check valves or similar control elements and without one Pump, water screw or other fluid drives is reached.
  • gas bubbles that flow in the evaporation area to and / or into the connecting line which is provided for the conduction of the fluid from the evaporation area to the condensation area, "push" liquid fluid in front of it and pump it through the connecting line. This means that heat transfer is possible, at least to a limited extent, even against capillaries, even without capillaries.
  • An embodiment of the invention provides that the fluid is liquid in the evaporation area of the heat transport unit.
  • gas bubbles form which also burst again.
  • this embodiment of the invention with the exception of any gas bubbles, there is no gaseous fluid above the liquid fluid in the evaporation zone.
  • a flow resistance element can be arranged in the transition area between one of the two connection lines and the evaporation area.
  • Flow resistance element has the effect that gas bubbles rising during the evaporation process do not use the connecting line with the flow resistance element, but instead use the connecting line which is further open for the rising gas bubbles.
  • an inner hose concentrically lying in an outer hose for transporting the vaporized fluid can be very specifically Condensation area are used so that the cooled fluid flows back from the condensation area through the annular gap between the outer hose and the inner hose back to the evaporation area.
  • the connecting lines between the evaporation area and the condensation area is particularly advantageous to design the connecting lines between the evaporation area and the condensation area as a flexible double hose line, which preferably consists of an outer hose and an inner hose running in the outer hose. But it can also be one of two flexible, e.g. B. existing side-by-side hose lines can be used, in which case the evaporation area and the condensation area can each be formed as a chamber with two hose connectors.
  • a capillary structure can be provided on the inner wall in the connecting line serving as a return line from the condensation area to the evaporation area, thereby supporting a return transport of the cooled fluid to the evaporation area.
  • the capillary structure formed in a connecting line can be produced in the extrusion process during the production of the connecting line. This results in a very inexpensive production for the connecting line equipped with the capillary structure.
  • a preferred embodiment of the invention provides a backflow throttle in one of the two connecting lines or in both connecting lines.
  • This is generally understood to mean a device which has a lower flow resistance in the intended flow direction than in the opposite direction or which blocks flow in the opposite direction to the intended flow direction.
  • the return flow restrictor effects or in any case favors the intended flow direction in the respective connecting line.
  • the reflux throttle can be, for example, a non-return valve or a non-fully closing or bypassing non-return valve or a device with a comparable effect.
  • the evaporation area and the condensation area can advantageously consist of a plastic material with high thermal conductivity, wherein a high thermal conductivity can be achieved by using additives with high thermal conductivity.
  • the evaporation area and the condensation area can e.g. B. can also be formed as a copper tube closed on one side, the connecting lines then being connected to the open sides of these elements.
  • the fluid used in the heat transport unit preferably has a low boiling temperature, which can be, for example, at a pressure within the heat transport unit of 1 to 3 bar in a range between 25 ° Celsius and 40 ° Celsius.
  • a pressure within the heat transport unit of 1 to 3 bar in a range between 25 ° Celsius and 40 ° Celsius.
  • fluids can also be used which have a higher or lower boiling point, which can be between -20 ° Celsius and + 1000 ° Celsius at a pressure of 0.001 to 100 bar.
  • Such a fluid is known, for example, under the trade name Novec 7000.
  • a low boiling temperature has the advantage that even with low heat development in the area of a component to be cooled, the heat transport and thus the cooling process can be used effectively.
  • the connecting line provided for the transport of the vaporized fluid can protrude slightly into the space of the evaporation area and deep into the space of the Protrude condensation area.
  • the functionality of the heat transport unit is positively supported both in the evaporation area and in the condensation area. “To protrude deeply into the space of the condensation area” means that the connecting line protrudes into the condensation area up to a distance of at most the diameter of the heat transport unit from one end of the heat transport unit.
  • Figure 1 shows a heat transfer unit according to the invention with a flexible double hose line
  • FIG. 2 shows a heat transport unit according to the invention as in FIG. 1, but with a flow resistance element in the transition area between the double hose line and an evaporation area;
  • Figure 3 is an enlarged view of a portion of the heat transport unit of Figure 2 in the area of the flow resistance element;
  • FIG. 4 shows a cross section of a double hose line with a capillary structure according to the invention
  • FIG. 5 shows a longitudinal section along the sectional plane A-A of FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a cross section of a double hose line with a wick element according to the invention
  • 7 shows an axial section along the section plane BB of the double hose line from FIG. 6
  • FIG. 8 shows a schematically illustrated arrangement of heat transport units effective between thermal coupling units according to the invention.
  • FIG. 9 shows an axial section of a further heat transport unit according to the invention.
  • the heat transport unit 1 has the functionality of a heat pipe and has an evaporation area 2 and a condensation area 3 which are connected to one another via a line area 4 for the transmission of thermal energy.
  • the evaporation area 2 can consist of a metal sleeve closed on one side, for example of copper.
  • the condensation area 3 can also be made from a metal sleeve closed on one side.
  • the sleeves used for the evaporation area 2 and the condensation area 3 are therefore referred to as plastic sleeves 6, 7 by way of example in the following description.
  • the line area 4 is formed by a double hose line 8, which consists of an outer hose 9 and an inner hose 10 running concentrically in the outer hose 9. Since an exact concentric arrangement of the outer tube 9 and inner tube 10 is not absolutely necessary, no centering elements are shown in FIG. 1, which, however, could be present in the form of centering webs projecting from the inside of the outer tube 9. 8 annular centering elements could also be used at intervals in the flexible double hose line.
  • the double hose line 8 is made of a flexible plastic material, so that the heat transport unit 1 can be bent flexibly and at least in the line area 4 and without exertion of force (no force is required as for plastic deformation of the line area 4) and thus the evaporation area 2 and the condensation area 3 in different positions or orientations can be brought.
  • a heat source 11 to be cooled is indicated as a circular region with a broken line and a heat emission region 12 is also indicated with a broken circular line.
  • the heat emission region 12 can have an element with cooling fins made of aluminum or else an element through which a coolant flows.
  • a fluid 14 located in the evaporation area 2 in the plastic sleeve 6 is heated and brought to the boil and / or evaporation.
  • the vaporous fluid 14 ′ passes through the inner tube 10 in the direction of the arrow 15 to the condensation area 3, which has a lower temperature, so that the evaporated fluid 14 ′ condenses in the condensation area 3 on the inner wall of the plastic sleeve 7 and between the outer tube 9 and the inner tube 10 flows back to the evaporation region 2 in the direction of the arrow 16 as a liquid fluid 14.
  • Vaporizable liquids with a low boiling point which are generally known for such applications in heat pipes or heat pipes, are suitable as the fluid 14. Very good heat transfer results were achieved with a fluid that had a boiling point at approximately 30 ° Celsius.
  • the boiling point of the fluid 14 used can be set at different levels in different heat transport units, a range between 25 ° C. and 80 ° C. being possible, for example, as the boiling point for a predetermined area of application.
  • the boiling temperature of the fluid 14 can also be set by varying an internal pressure in the heat transport unit 1, which can be, for example, 1 to 10 bar.
  • the heat transport unit 1 can be designed with a length of less than 2 cm or also with a length of more than 1 m, with diameters from less than 1 mm to over 10 mm depending on the application.
  • heat transfer with a heat output of 1200 watts can be achieved, specifically at a temperature difference of 10 ° C. between the evaporation area 2 and the condensation area 3.
  • the end pieces, that is to say the plastic sleeves 6, 7 8 of the heat transport unit 1 can be thermally conductively connected to thermocouple units 31 designed as metal blocks, for example in that the end pieces are inserted into bores 51 of these thermocouple units 31.
  • thermal coupling units 31 can then in turn be connected on the one hand to heat sources - for example a microprocessor 32 - or on the other hand with cooling devices 33 in a heat-conducting manner in order to implement a heat transport system.
  • the arrows drawn in FIG. 8 show, by way of example, the transport direction of the heat transfer via the heat transport units 1.
  • FIG. 2 shows a modified embodiment of the heat transport unit 1 according to FIG. 1 according to the invention, in which, however, a flow resistance element 17 is additionally provided as an annular rim which projects inwards on the plastic sleeve 6.
  • the ring edge can also be referred to as an annular bead and serves to narrow a cross section for the backflow of the fluid 14 in this transition area between the evaporation area 2 and the line area 4. It is thereby achieved that the evaporated fluid 14 ′′ preferably selects the path through the inner tube 10 in the direction of the arrow 15. It is important that the flowing back condensed fluid is not prevented too strongly from the backflow in the direction of the arrow 16 to the evaporation region 2. The same also applies to a similar flow resistance element 18 at the transition area between the line area 4 and the condensation area 3.
  • the two flow resistance elements 17, 18 also serve as
  • the flow resistance elements 17, 18 can very advantageously also be designed as knobs that lie between them Fix the inner tube 10 in place. Clearances can remain between the individual knobs, through which the back-flowing fluid 14 can flow back from the condensation area 3 to the evaporation area 2 in accordance with the direction of the arrow 16.
  • the flow resistance elements 17, 18 can also be designed as circumferential ring beads or ring diaphragms, which stand inwards from the outer hose 9 and have a larger inner diameter than an outer diameter of the inner hose 10 or which stand outwards from the inner hose 10 and have a smaller outer diameter than an inner diameter of the Outer hose 9, so that there is an annular gap 19 between the flow elements 17, 18 and the inner hose 10 or the outer hose 9, through which the liquid fluid 14 can flow back from the condensation area 3 to the evaporation area 2.
  • flow resistance elements 17, 18 in the form of circumferential ring beads or ring diaphragms which have interruptions at peripheral points through which the liquid fluid 14 can flow back from the condensation area 3 to the evaporation area 2 (not shown).
  • the heat transport unit 1 is filled approximately halfway with liquid fluid 14 and otherwise with gaseous or vaporous fluid 14 '.
  • the fill level can be selected differently depending on the area of application and the fluid used and changes as a result of the evaporation of part of the fluid 14. Good circulation properties have been achieved at a fill level of 30% to 50% of the volume with liquid fluid 14. Depending on the fluid used and depending on the area of application, other fill levels may be appropriate.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of the heat transport unit 1 from FIG. 2 in the evaporation area 2.
  • the fluid 14 is heated so that an evaporation process takes place.
  • bubbles 20 rise in the fluid 14, which is indicated by individual arrows.
  • the effective line cross section of the inner tube 10 is larger than the line cross section provided for the backflow in the direction of the arrow 16, the fluid 14 evaporates via the inner tube 10 and thus also passes through the Inner hose 10 to the condensation area 3 (Fig. 1, Fig. 2). Due to their size, large gas bubbles 24 do not enter the annular gap between the outer tube 9 and the inner tube 10 and burst before they get into the inner tube 10.
  • the large gas bubbles 24 Due to their formation and bursting, the large gas bubbles 24 generate a pulsating pressure in the evaporation area 2, which causes a pumping effect, which also displaces the fluid 14 liquid into the inner tube 10, as a result of which the fluid 14 circulates from the evaporation area 2 into the inner tube 10 Condensation area 3 and through the annular gap 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10 back into the evaporation area 2.
  • the fluid 14 is, so to speak, "pumped” in the circuit by the pulsating pressure that the gas bubbles 24 that develop and burst when heat is applied in the evaporation region 2.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a double hose line 8 in which the outer hose 9 has a capillary structure 21 on its inner wall, which extends over the entire length of the outer hose 9.
  • the broken circular line indicates that the capillary structure 21 can extend over the entire circumference on the inner wall.
  • Figure 5 shows the longitudinal section of the arrangement shown in Figure 4.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show a cross section and a longitudinal section of a double hose line 8 with an inserted wick element 22 extending over the entire length.
  • the wick element 22 here extends only over a partial segment of the space 23 provided for the backflow from the condensation area 3 to the evaporation area 2
  • the wick element 22 can also completely fill the intermediate space 23.
  • the wick element 22 and the capillary structure 21 (FIGS. 4, 5) can help to support the backflow of the condensed fluid 14.
  • FIG. 9 shows a heat transport unit 1 according to the invention with the functionality of a heat pipe, which, as in FIGS. 1 and 2, has an evaporation region 2 and a condensation region 3, which are connected to one another via a line region 4 for the transmission of thermal energy.
  • the line area 4 in FIG. 9 is flexible and is formed by a double hose line 8 with an outer hose 9 and an inner hose 10.
  • a diameter of the inner tube 10 is 2/3 as large as a diameter of the outer tube 9.
  • the inner tube 10 has a half the contact resistance for the flow of the fluid 14 with gas bubbles 24 as the outer tube 9 or the annular space 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10 for the backflow of the fluid 14, which contains no gas bubbles here.
  • the inner tube 10 has a sleeve 25 which projects obliquely outwards and in the direction of the evaporation area 3.
  • the sleeve 25 has the shape of a hollow truncated cone and is limp or elastic. The sleeve 25 is axially long enough that it can rest against the inside of the outer hose 9 and block against a flow of the fluid 14 from the evaporation area 2 to the condensation area 3 in the annular gap 19 between the outer hose 9 and the inner hose 10.
  • the flow of the fluid 14 from the condensation area 3 to the evaporation area 2 lifts the cuff 25 off the outer tube 9 and presses it inwards in the direction of the inner tube 10, so that the fluid 14 can flow past the cuff 25 into the evaporation area 2.
  • the cuff 25 forms a non-return valve, which blocks flow in the annular gap 19 between the outer hose 9 and the inner hose 10, which forms the conduit for the flow of the liquid fluid 14 from the condensation area 3 to the evaporation area 2, in the opposite direction.
  • the cuff 25 forming the check valve can also be arranged elsewhere between the evaporation area 2 and the condensation area 3 in the annular gap 19 between the outer hose 9 and the inner hose 10 and it can protrude obliquely inwards from the outer hose 9 (not shown) instead of as shown from Project the inner hose 10 at an angle to the outside.
  • the inner tube 10 there is also a flexible or elastic sleeve 26 which projects obliquely inwards and in the direction of the condensation area 3.
  • This sleeve 26 is axially so short that it cannot close the inner tube 10, but only reduces its flow cross-section.
  • the sleeve 26 in the inner tube 10 forms a backflow throttle, which opposes the flow in the intended direction from the evaporation area 2 to the condensation area 3, or only a small flow resistance, whereas it opposes a reverse flow with a high or at least higher resistance.
  • the cuff 25 on the outside Inner hose 10 can generally also be understood as a reflux throttle, which, however, blocks flow against the intended direction.
  • frustoconical hollow cone 27 which is inclined inwards from the outer tube 9 in the direction of the evaporation zone 2, and in the evaporation zone 2 there is an annular, inwardly standing, hollow, round vortex 28, which is arranged closer to the end of the inner tube 10 than at the end of the evaporation region 2.
  • Designs of the heat transport unit 1 without or with only one swirler 27, 28 are possible.
  • gas bubbles 24 with a larger diameter than the diameter of the inner tube 10 are formed in the evaporation area 2, which must reduce their diameter for entry into the inner tube 10 and thereby lengthen axially.
  • the gas bubbles 24 are too large to enter the annular gap 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10.
  • the gas bubbles 24 push liquid fluid 14 in the inner tube 10 in front of them from the evaporation area 2 to the condensation area 3.
  • the gas bubbles 24 generate pressure waves which, due to the larger cross section and because of the swirlers 27, 28 and from the end of the inner tube 10, obliquely outwards continue the protruding cuff 25 into the inner tube 10 more than into the annular gap 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10.
  • the pressure waves also convey the fluid 14 in the inner tube 10 from the evaporation area 2 to the condensation area 3.

Abstract

The invention relates to a heat transport unit (1) which is designed in particular in the form of a flexible heat pipe, comprising an evaporation region (2), a condensation region (3), and a line region (4) which is arranged between the evaporation region (2) and the condensation region (3) and via which thermal energy is transported from the evaporation region (2) to the condensation region (3). The heat transport unit also comprises a fluid (14) which can be found in the evaporation region (2), and the line region (4) consists of two connection lines, wherein evaporated fluid (14') reaches the condensation region (3) from the evaporation region (2) via one of the two connection lines, and the other connection line is used as a return line for condensed fluid (14).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Wärmetransporteinheit Heat transport unit
Die Erfindung betrifft eine Wärmetransporteinheit, die insbesondere als flexibles Wärmerohr ausgeführt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a heat transport unit, which is designed in particular as a flexible heat pipe, according to the preamble of claim 1.
Stand der Technik State of the art
Wärmerohre sind auch unter dem Begriff„Heatpipes“ bekannt. Derartige Heatpipes besitzen einen Verdampfungsbereich, wo ein als Wärmeträger verwendetes Fluid durch Wärmezufuhr verdampft wird. Das dampfförmige Fluid gelangt über einen Rohrabschnitt zu einem Kondensationsbereich, wo das dampfförmige Fluid abgekühlt wird und kondensiert. Das flüssige Fluid wird über eine Kapillarstruktur zurück zum Verdampfungsbereich geführt, so dass sich ein ständiger Wärmetransportkreislauf vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich ergibt. Ein derartiges Wärmerohr ist aus der DE 10 2010 003 893 Al bekannt. Heat pipes are also known under the term "heat pipes". Such heat pipes have an evaporation area, where a fluid used as a heat carrier is evaporated by supplying heat. The vaporous fluid passes through a pipe section to a condensation area, where the vaporous fluid is cooled and condensed. The liquid fluid is led back to the evaporation area via a capillary structure, so that there is a constant heat transport circuit from the evaporation area to the condensation area. Such a heat pipe is known from DE 10 2010 003 893 Al.
Das Gebrauchsmuster DE 203 20 409 EU offenbart eine Erdwärmesonde mit einem Innenrohr und einem das Innenrohr konzentrisch umschließenden Außenrohr. Erdwärme verdampft ein Fluid im unteren Ende der Erdwärmesonde. Das gasförmige Fluid steigt im Innenrohr nach oben und wird durch Wärmeabgabe an einem oberen Ende der Erdwärmesonde wieder kondensiert. Das kondensierte Fluid fließt durch einen Ringspalt zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr wieder nach unten. The utility model DE 203 20 409 EU discloses a geothermal probe with an inner tube and an outer tube concentrically surrounding the inner tube. Geothermal heat evaporates a fluid in the lower end of the geothermal probe. The gaseous fluid rises in the inner tube and is condensed again by heat being released at an upper end of the geothermal probe. The condensed fluid flows down again through an annular gap between the outer tube and the inner tube.
Aus der DE 10 2009 010 897 Al ist ein Schaltschrank mit einer Mehrzahl von im Inneren des Schaltschranks angeordneten Schaltgeräten bekannt, bei dem Schaltschrankkomponenten mittels Heatpipes gekühlt werden. Heatpipes werden beim Stand der Technik beispielsweise zur Kühlung von Mikroprozessoren in Geräteschränken eingesetzt, wobei in einem Geräteschrank mehrere Rechnereinheiten mit Mikroprozessoren als Geräteeinschübe eingesetzt sein können. Die Kühlung in den einzelnen Geräteeinschüben kann durch die Verwendung von Heatpipes geräuschlos und sehr effektiv erfolgen, wobei über die Heatpipes große Wärmeenergiemengen aus dem Geräteinneren nach außen abgeleitet werden können. Dabei kann auf die Verwendung von Lüftern verzichtet werden, was nicht nur zur Vermeidung von Lüftergeräuschen beiträgt, sondern auch den großen Vorteil hat, dass Lüftervibrationen im Bereich der empfindlichen elektronischen Bauelemente vermieden werden. DE 10 2009 010 897 A1 discloses a control cabinet with a plurality of switching devices arranged in the interior of the control cabinet, in which control cabinet components are cooled by means of heat pipes. Heat pipes are used in the prior art, for example used for cooling microprocessors in equipment cabinets, wherein several computer units with microprocessors can be used as device racks in an equipment cabinet. The cooling in the individual plug-in units can be done quietly and very effectively by using heat pipes, whereby large amounts of heat energy can be dissipated from the inside of the device via the heat pipes. There is no need to use fans, which not only helps to avoid fan noise, but also has the great advantage that fan vibrations in the area of the sensitive electronic components are avoided.
Mit Heatpipes kann eine Wärmeübertragung von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich auch gegen die Schwerkraft erfolgen, da durch die Kapillarwirkung ein Rücktransport des Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich gegen die Schwerkraft möglich ist. Dagegen gibt es auch Wärmerohre, die mittels Schwerkraft betrieben werden, wobei hier das flüssige Fluid aufgrund der Schwerkraft vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich zurückfließt. Heat pipes can also be used to transfer heat from an evaporation area to a condensation area against gravity, since the capillary action enables the fluid to be transported back from the condensation area to the evaporation area against gravity. In contrast, there are also heat pipes that are operated by gravity, with the liquid fluid flowing back from the condensation area to the evaporation area due to gravity.
Der Einsatz von Wärmerohren ist äußerst vielseitig und keinesfalls nur auf Anwendungen im Bereich der Mikro- oder Leistungselektronik eingeschränkt. Auch LED-Komponenten, wiederaufladbare Hochleistungsbatterien (Akkumulatoren) oder andere Elemente mit hoher Verlustwärme lassen sich mittels Wärmerohren effektiv kühlen. Dabei ist es wünschenswert, dass der Zirkulationskreislauf zwischen Verdampfungsbereich und Kondensationsbereich eine möglichst hohe Kreislaufgeschwindigkeit hat, d. h. dass pro Zeiteinheit möglichst viel Fluid vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich und wieder zurück zum Verdampfungsbereich transportiert wird, wodurch eine Verbesserung der Wärmeübertragung vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich erreicht wird. The use of heat pipes is extremely versatile and is in no way limited to applications in the field of micro or power electronics. LED components, rechargeable high-performance batteries (accumulators) or other elements with high heat loss can also be effectively cooled using heat pipes. It is desirable that the circulation circuit between the evaporation area and the condensation area has the highest possible circulation speed, i. H. that as much fluid as possible is transported from the evaporation area to the condensation area and back to the evaporation area per unit of time, whereby an improvement in the heat transfer from the evaporation area to the condensation area is achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rohrförmige Wärmetransporteinheit zu schaffen, die die Funktion eines Wärmerohrs mit hoher Wärmetransportleistung hat. The invention has for its object to provide a tubular heat transport unit, which has the function of a heat pipe with high heat transfer performance.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand. Die erfmdungsgemäße Wärmetransporteinheit, die die Funktion eines Wärmerohrs hat und einen Verdampfungsbereich und einen über einen Leitungsbereich mit diesem in Verbindung stehenden Kondensationsbereich hat, besitzt einen Leitungsbereich der aus zwei Verbindungsleitungen besteht, wobei über eine der beiden Verbindungsleitungen verdampftes Fluid vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich gelangt und über die andere Verbindungsleitung kondensiertes Fluid zum Verdampfungsbereich zurückfließt. Der Einsatz zweier Verbindungsleitungen zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich hat den Vorteil, dass das zurückfließende abgekühlte Fluid von dem zum Kondensationsbereich strömenden verdampften Fluid nicht in seiner Fließgeschwindigkeit beeinträchtig wird. Versuche haben gezeigt, dass mit dieser Anordnung eine hohe Zirkulationsgeschwindigkeit und somit eine sehr effektive Wärmeübertragung vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich der Wärmetransporteinheit erzielt werden kann. The solution to this problem is obtained with the features of claim 1. The dependent claims have advantageous refinements and developments of the invention. The heat transport unit according to the invention, which has the function of a heat pipe and has an evaporation area and a condensation area connected to it via a line area, has a line area which consists of two connecting lines, with vaporized fluid passing from the evaporation area to the condensation area and over via one of the two connecting lines the other connecting line condensed fluid flows back to the evaporation area. The use of two connecting lines between the evaporation area and the condensation area has the advantage that the cooled fluid flowing back does not get impaired in its flow rate by the evaporated fluid flowing to the condensation area. Tests have shown that with this arrangement a high circulation speed and thus a very effective heat transfer from the evaporation area to the condensation area of the heat transport unit can be achieved.
Die erfmdungsgemäße Wärmetransporteinheit ist insbesondere schlauchförmig oder rohrförmig und insbesondere ist zumindest der Leitungsbereich flexibel, so dass die Wärmetransporteinheit zumindest im Leitungsbereich gebogen werden kann. Ein flexibler Leitungsbereich hat den Vorteil, dass er ohne nennenswerten Kraftaufwand gebogen werden kann. "Ohne nennenswerten Kraftaufwand" meint ein Biegen des Leitungsbereichs ohne eine Biegekraft oder jedenfalls mit einer geringeren Biegekraft als sie zum Biegen eines plastisch biegbaren Rohrs als Verbindungsleitung erforderlich ist. The heat transport unit according to the invention is in particular tubular or tubular and in particular at least the line area is flexible, so that the heat transport unit can be bent at least in the line area. A flexible pipe area has the advantage that it can be bent without any significant effort. "Without any noteworthy effort" means a bending of the line area without a bending force or in any case with a lower bending force than is required to bend a plastically bendable pipe as a connecting line.
Die erfmdungsgemäße Wärmetransporteinheit ist hermetisch geschlossen, so dass ein als Wärmeträger enthaltenes Fluid nicht austreten und auch kein Fluid von außen eintreten kann. Das Fluid ist in der Wärmetransporteinheit teilweise flüssig und teilweise gasförmig. The heat transport unit according to the invention is hermetically sealed, so that a fluid contained as a heat carrier cannot escape and no fluid can enter from the outside. The fluid in the heat transport unit is partly liquid and partly gaseous.
Die beiden Verbindungsleitungen weisen unterschiedliche Strömungs wider stände für das Fluid auf. Aufgrund der unterschiedlichen Strömungswiderstände bevorzugt das verdampfte Fluid eine der beiden Verbindungsleitungen, so dass sich daraus von selbst ein Fluidkreislauf in der Wärmetransporteinheit ergibt. The two connecting lines have different flow resistances for the fluid. Because of the different flow resistances, the vaporized fluid prefers one of the two connecting lines, so that this results in a fluid circuit in the heat transport unit.
Die Querschnittsfläche einer für die Leitung des verdampften Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehenen Verbindungsleitung ist größer als eine für die Rückführung des kondensierten Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich vorgesehene Verbindungsleitung. Damit wird erreicht, dass im Verdampfungsbereich aufsteigende Gasblasen beim Verdampfungsvorgang überwiegend in die Verbindungsleitung gelangen, die die größere Querschnittsfläche hat, so dass gezielt die eine Verbindungsleitung für den Transport des Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgegeben wird. Die andere Verbindungsleitung wird dann zwangsläufig als Rückflussleitung für das kondensierte und abgekühlte Fluid genutzt. The cross-sectional area of a connecting line provided for the conduction of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area is larger as a connecting line provided for the return of the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area. It is thereby achieved that gas bubbles rising in the evaporation area predominantly reach the connecting line which has the larger cross-sectional area during the evaporation process, so that the one connecting line for the transport of the fluid from the evaporation area to the condensation area is specifically specified. The other connecting line is then inevitably used as a return line for the condensed and cooled fluid.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der für die Leitung des verdampften Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehenen Verbindungsleitung mindestens doppelt so groß wie die Querschnittsfläche der für die Rückführung des kondensierten Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich vorgesehenen Verbindungsleitung. Insbesondere beträgt das Querschnittsflächenverhältnis der Verbindungs- leitungen l,8±0,l oder l,8±0,2 oder 2±0,l oder 2±0,2. The cross-sectional area of the connecting line provided for the conduction of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area is preferably at least twice as large as the cross-sectional area of the connecting line provided for returning the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area. In particular, the cross-sectional area ratio of the connecting lines is 1.8 ± 0, 1 or 1.8, 0.2 or 2 ± 0, 1 or 2 ± 0.2.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Übergangswiderstand der Verbindungsleitung, die für die Rückführung des kondensierten Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich vorgesehen ist, etwa doppelt so groß wie der Überganswiderstand der Verbindungsleitung, die für die Leitung des verdampften Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehen ist. "Etwa" bedeutet eine Toleranz des Übergangswiderstands von bis zu 5 %, bis zu 10 % oder bis zu 20 %. Der Übergangs wider stand ist ein Strömungs widerstand des Fluids und gegebenenfalls zusätzlich ein Widerstand, den beim Verdampfen entstehende Gasblasen der Strömung entgegen setzten. One embodiment of the invention provides that a contact resistance of the connecting line, which is provided for the return of the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area, is approximately twice as large as the transition resistance of the connecting line, which is provided for the conduction of the vaporized fluid from the evaporation area to the condensation area . "About" means a contact resistance tolerance of up to 5%, up to 10% or up to 20%. The transition resistance is a flow resistance of the fluid and, if necessary, an additional resistance that the gas bubbles created during evaporation oppose the flow.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Durchtrittsweite der für die Rückführung des kondensierten Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich vorgesehenen Verbindungsleitung kleiner als ein Durchmesser von Gasblasen ist, die beim Verdampfen des Fluids im Verdampfungsbereich entstehen. Der Durchmesser der Gasblasen kann, muss aber nicht, auch größer als ein Durchmesser der für die Leitung des Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehenen Verbindungsleitung sein. Dadurch wird ein Eintritt der Gasblasen in die für die Rückleitung des kondensierten Fluids vorgesehene Verbindungsleitung verhindert oder jedenfalls reduziert. Es treten keine oder nur wenige und vorzugsweise nur kleine Gasblasen in die für die Rückleitung des kondensierten Fluids vorgesehene Verbindungsleitung ein, sondern es verdrängen ("pumpen") Gasblasen, die sich beim Sieden und Verdampfen des Fluids im Verdampfungsbereich bilden und wieder zerplatzen, flüssiges Fluid aus dem Verdampfungsbereich in die Verbindungsleitung, die für die Leitung des Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehen ist. Dadurch wird ein "Pumpeffekt" erzielt, der den Fluidkreislauf vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich durch die eine Verbindungsleitung und zurück durch die andere Verbindungsleitung bewirkt. Die beim Sieden und Verdampfen des Fluids im Verdampfungsbereich entstehenden Gasblasen erzeugen einen pulsierenden Druck, der sich in die Verbindungsleitung mit dem kleineren Strömungs widerstand oder der größeren Querschnittsfläche stärker fortsetzt als in die andere Verbindungsleitung, wodurch die gewünschte Strömungsrichtung ohne Rückschlagventile oder dergleichen Steuerelemente und ohne eine Pumpe, Wasserschraube oder sonstige Fluidantriebe erreicht wird. Auch Gasblasen, die im Verdampfungsbereich zu der und/oder in die Verbindungsleitung, die für die Leitung des Fluids vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich vorgesehen ist, strömen, "schieben" flüssiges Fluid vor sich her und pumpen es durch die Verbindungsleitung. Damit ist ein Wärmetransport zumindest in begrenztem Maß auch entgegen einer Schwerkraft auch ohne Kapillaren möglich. One embodiment of the invention provides that a passage width of the connecting line provided for the return of the condensed fluid from the condensation area to the evaporation area is smaller than a diameter of gas bubbles which arise in the evaporation area when the fluid evaporates. The diameter of the gas bubbles can, but need not, be larger than a diameter of the connecting line provided for the conduction of the fluid from the evaporation region to the condensation region. This prevents or at least reduces the entry of the gas bubbles into the connecting line provided for the return line of the condensed fluid. No or only a few, and preferably only small, gas bubbles enter the condensate for the return Fluid provided connecting line, but it displaces ("pump") gas bubbles, which form during boiling and evaporation of the fluid in the evaporation area and burst again, liquid fluid from the evaporation area into the connecting line, which is provided for the conduction of the fluid from the evaporation area to the condensation area is. A "pump effect" is thereby achieved, which effects the fluid circuit from the evaporation area to the condensation area through the one connecting line and back through the other connecting line. The gas bubbles formed during the boiling and vaporization of the fluid in the evaporation area produce a pulsating pressure, which resistance in the connecting line with the smaller flow or the larger cross-sectional area continues more than in the other connecting line, whereby the desired flow direction without check valves or similar control elements and without one Pump, water screw or other fluid drives is reached. Also gas bubbles that flow in the evaporation area to and / or into the connecting line, which is provided for the conduction of the fluid from the evaporation area to the condensation area, "push" liquid fluid in front of it and pump it through the connecting line. This means that heat transfer is possible, at least to a limited extent, even against capillaries, even without capillaries.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fluid im Verdampfungsbereich der Wärmetransporteinheit flüssig ist. Beim Sieden und Verdampfen entstehen Gasblasen, die auch wieder zerplatzen. Es befindet sich bei dieser Ausgestaltung der Erfindung jedoch mit Ausnahme etwaiger Gasblasen kein gasförmiges Fluid über dem flüssigen Fluid im V erdampfungsb erei ch . An embodiment of the invention provides that the fluid is liquid in the evaporation area of the heat transport unit. When boiling and evaporating, gas bubbles form which also burst again. With this embodiment of the invention, however, with the exception of any gas bubbles, there is no gaseous fluid above the liquid fluid in the evaporation zone.
Damit eine bestimmte Verbindungsleitung für den Transport des verdampften Fluids und die andere Verbindungsleitung für den Rückfluss des abgekühlten Fluids verwendet wird, kann ein Strömungswiderstandselement im Übergangsbereich zwischen einer der beiden Verbindungsleitungen und dem Verdampfungsbereich angeordnet sein. DiesesSo that a specific connection line is used for the transport of the evaporated fluid and the other connection line for the backflow of the cooled fluid, a flow resistance element can be arranged in the transition area between one of the two connection lines and the evaporation area. This
Strömungswiderstandselement bewirkt, dass beim Verdampfungsvorgang aufsteigende Gasbläschen die Verbindungsleitung mit dem Strömungswiderstandselement nicht nutzen, sondern die für die aufsteigenden Gasbläschen weiter geöffnete Verbindungsleitung nutzen. Auf diese Weise kann ganz gezielt beispielsweise ein konzentrisch in einem Außenschlauch einliegender Innenschlauch für den Transport des verdampften Fluids zum Kondensationsbereich genutzt werden, so dass das abgekühlte Fluid vom Kondensationsbereich durch den Ringspalt zwischen dem Außenschlauch und dem Innenschlauch wieder zum Verdampfungsbereich zurückströmt. Flow resistance element has the effect that gas bubbles rising during the evaporation process do not use the connecting line with the flow resistance element, but instead use the connecting line which is further open for the rising gas bubbles. In this way, for example, an inner hose concentrically lying in an outer hose for transporting the vaporized fluid can be very specifically Condensation area are used so that the cooled fluid flows back from the condensation area through the annular gap between the outer hose and the inner hose back to the evaporation area.
Besonders vorteilhaft ist es, die Verbindungsleitungen zwischen Verdampfungsbereich und Kondensationsbereich als eine flexible Doppelschlauchleitung auszubilden, die vorzugsweise aus einem Außenschlauch und einem im Außenschlauch verlaufenden Innenschlauch besteht. Es kann aber auch eine aus zwei flexiblen, z. B. nebeneinander verlaufenden Schlauchleitungen bestehende Leitungsverbindung verwendet werden, wobei dann der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich jeweils als eine Kammer mit jeweils zwei Schlauchanschlussstücken ausgebildet sein können. It is particularly advantageous to design the connecting lines between the evaporation area and the condensation area as a flexible double hose line, which preferably consists of an outer hose and an inner hose running in the outer hose. But it can also be one of two flexible, e.g. B. existing side-by-side hose lines can be used, in which case the evaporation area and the condensation area can each be formed as a chamber with two hose connectors.
Eine derartige Leitungsverbindung hat den großen Vorteil, dass die Wärmetransporteinheit problemlos an den zu kühlenden Elementen eines Rechners oder eines anderen Geräts positioniert werden kann, wobei Positionstoleranzen durch die Flexibilität der Wärmetransporteinheit völlig unproblematisch sind. Montageprobleme, wie diese bei den herkömmlichen starren Kupfer-Heatpipes auftreten können, werden mit der erfindungsgemäßen flexiblen Wärmetransporteinheit vermieden. Such a line connection has the great advantage that the heat transport unit can be easily positioned on the elements of a computer or other device to be cooled, position tolerances being completely unproblematic due to the flexibility of the heat transport unit. Assembly problems, as can occur with the conventional rigid copper heat pipes, are avoided with the flexible heat transport unit according to the invention.
In der Wärmetransporteinheit kann in der als Rückflussleitung vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich dienenden Verbindungsleitung eine Kapillarstruktur an der Innenwand vorgesehen sein, wodurch ein Rücktransport des abgekühlten Fluids zum Verdampfungsbereich unterstützt wird. In the heat transport unit, a capillary structure can be provided on the inner wall in the connecting line serving as a return line from the condensation area to the evaporation area, thereby supporting a return transport of the cooled fluid to the evaporation area.
Die in einer Verbindungsleitung ausgebildete Kapillarstruktur kann im Extrusionsverfahren bei der Herstellung der Verbindungsleitung hergestellt werden. Dadurch ergibt sich eine sehr kostengünstige Fertigung für die mit der Kapillarstruktur ausgestattete Verbindungsleitung. The capillary structure formed in a connecting line can be produced in the extrusion process during the production of the connecting line. This results in a very inexpensive production for the connecting line equipped with the capillary structure.
Es besteht auch die Möglichkeit, in den Zwischenraum zwischen einem Außenschlauch und einem Innenschlauch einen längs verlaufenden Docht oder ein entsprechend anderes Element einzulegen, welches eine Kapillarwirkung hat und somit in diesem Zwischenraum einen Rücktransport des abgekühlten Fluids vom Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich unterstützt. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Rückflussdrossel in einer der beiden Verbindungsleitungen oder in beiden Verbindungsleitungen vor. Darunter ist allgemein eine Einrichtung zu verstehen, die einen niedrigeren Strömungswiderstand in der vorgesehenen Fließrichtung als in der entgegengesetzten Richtung aufweist oder die gegen eine Strömung in der der vorgesehenen Fließrichtung entgegengesetzten Richtung sperrt. Die Rückflussdrossel bewirkt oder jedenfalls begünstigt die vorgesehene Fließrichtung in der jeweiligen Verbindungsleitung. Die Rückflussdrossel kann beispielsweise ein Rückschlagventil oder auch ein nicht vollständig schließendes oder einen Bypass aufweisendes Rückschlagventil oder eine vergleichbar wirkende Einrichtung sein. There is also the possibility of inserting a longitudinal wick or a corresponding other element into the space between an outer tube and an inner tube, which has a capillary effect and thus supports a return transport of the cooled fluid from the condensation area to the evaporation area in this space. A preferred embodiment of the invention provides a backflow throttle in one of the two connecting lines or in both connecting lines. This is generally understood to mean a device which has a lower flow resistance in the intended flow direction than in the opposite direction or which blocks flow in the opposite direction to the intended flow direction. The return flow restrictor effects or in any case favors the intended flow direction in the respective connecting line. The reflux throttle can be, for example, a non-return valve or a non-fully closing or bypassing non-return valve or a device with a comparable effect.
Der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich können vorteilhaft aus einem Kunststoffmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wobei eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch die Verwendung von Zuschlagstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann. Je nach Einsatzgebiet der Wärmetransporteinheit kann der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich z. B. auch als jeweils einseitig geschlossene Kupferröhre ausgebildet sein, wobei an die offenen Seiten dieser Elemente dann die Verbindungsleitungen angeschlossen werden. The evaporation area and the condensation area can advantageously consist of a plastic material with high thermal conductivity, wherein a high thermal conductivity can be achieved by using additives with high thermal conductivity. Depending on the area of application of the heat transport unit, the evaporation area and the condensation area can e.g. B. can also be formed as a copper tube closed on one side, the connecting lines then being connected to the open sides of these elements.
Das in der Wärmetransporteinheit verwendete Fluid besitzt vorzugsweise eine niedrige Siedetemperatur, die beispielsweise bei einem Druck innerhalb der Wärmetransporteinheit von 1 bis 3 bar in einem Bereich zwischen 25° Celsius und 40° Celsius liegen kann. Je nach Einsatzgebiet der Wärmetransporteinheit können auch Fluide verwendet werden, die einen höheren oder niedrigeren Siedepunkt besitzen, der bei einem Druck von 0,001 bis 100 bar in einem Bereich zwischen -20° Celsius und +1000° Celsius liegen kann. The fluid used in the heat transport unit preferably has a low boiling temperature, which can be, for example, at a pressure within the heat transport unit of 1 to 3 bar in a range between 25 ° Celsius and 40 ° Celsius. Depending on the area of application of the heat transport unit, fluids can also be used which have a higher or lower boiling point, which can be between -20 ° Celsius and + 1000 ° Celsius at a pressure of 0.001 to 100 bar.
Ein solches Fluid ist beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Novec 7000 bekannt. Eine niedrige Siedetemperatur hat dabei den Vorteil, dass bereits bei geringer Wärmeentwicklung im Bereich eines zu kühlenden Bauteils der Wärmetransport und damit der Kühlvorgang wirksam einsetzen kann. Such a fluid is known, for example, under the trade name Novec 7000. A low boiling temperature has the advantage that even with low heat development in the area of a component to be cooled, the heat transport and thus the cooling process can be used effectively.
Die für den Transport des verdampften Fluids vorgesehene Verbindungsleitung kann geringfügig in den Raum des Verdampfungsbereichs ragen und tief in den Raum des Kondensationsbereichs hineinragen. Sowohl im Verdampfungsbereich als auch im Kondensationsbereich wird dadurch die Funktionalität der Wärmetransporteinheit positiv unterstützt. "Tief in den Raum des Kondensationsbereichs hineinragen" bedeutet ein Hineinragen der Verbindungsleitung in den Kondensationsbereich bis zu einem Abstand von maximal dem Durchmesser der Wärmetransporteinheit von einem Ende der Wärmetransporteinheit. The connecting line provided for the transport of the vaporized fluid can protrude slightly into the space of the evaporation area and deep into the space of the Protrude condensation area. The functionality of the heat transport unit is positively supported both in the evaporation area and in the condensation area. “To protrude deeply into the space of the condensation area” means that the connecting line protrudes into the condensation area up to a distance of at most the diameter of the heat transport unit from one end of the heat transport unit.
Sämtliche in der Beschreibung genannte und/oder der Zeichnung dargestellte Merkmale können einzeln für sich oder in jeder beliebigen Kombination bei Ausführungen der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungen der Erfindung, die nicht alle, sondern nur einen Teil der Merkmale eines Anspruchs, auch des unabhängigen Anspruchs, aufweisen, sind möglich. All of the features mentioned in the description and / or the drawing can be implemented individually or in any combination in embodiments of the invention. Embodiments of the invention that do not have all but only part of the features of a claim, including the independent claim, are possible.
Die Erfindung wird nachfolgen anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Wärmetransporteinheit mit einer flexiblen Doppelschlauchleitung; Figure 1 shows a heat transfer unit according to the invention with a flexible double hose line;
Figur 2 eine erfmdungsgemäße Wärmetransporteinheit wie in Figur 1, jedoch mit einem Strömungswiderstandselement im Übergangsbereich zwischen der Doppelschlauchleitung und einem Verdampfungsbereich; FIG. 2 shows a heat transport unit according to the invention as in FIG. 1, but with a flow resistance element in the transition area between the double hose line and an evaporation area;
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der Wärmetransporteinheit von Figur 2 im Bereich des Strömungswiderstandselements; Figure 3 is an enlarged view of a portion of the heat transport unit of Figure 2 in the area of the flow resistance element;
Figur 4 einen Querschnitt einer Doppelschlauchleitung mit einer Kapillarstruktur gemäß der Erfindung; FIG. 4 shows a cross section of a double hose line with a capillary structure according to the invention;
Figur 5 einen Längsschnitt entlang der Schnittebene A-A von Figur 4; FIG. 5 shows a longitudinal section along the sectional plane A-A of FIG. 4;
Figur 6 einen Querschnitt einer Doppelschlauchleitung mit einem Dochtelement gemäß der Erfindung; Figur 7 einen Achsschnitt entlang der Schnittebene B-B der Doppelschlauchleitung von FigurFIG. 6 shows a cross section of a double hose line with a wick element according to the invention; 7 shows an axial section along the section plane BB of the double hose line from FIG
6; 6;
Figur 8 eine schematisch dargestellte Anordnung von zwischen Thermokopplungseinheiten wirksamen Wärmetransporteinheiten gemäß der Erfindung; und FIG. 8 shows a schematically illustrated arrangement of heat transport units effective between thermal coupling units according to the invention; and
Figur 9 einen Achsschnitt einer weiteren, erfindungsgemäßen Wärmetransporteinheit. FIG. 9 shows an axial section of a further heat transport unit according to the invention.
Die in Figur 1 dargestellte, erfindungsgemäße Wärmetransporteinheit 1 hat die Funktionalität eines Wärmerohrs und besitzt einen Verdampfungsbereich 2 sowie einen Kondensationsbereich 3, die über einen Leitungsbereich 4 zur Übertragung thermischer Energie miteinander verbunden sind. Der Verdampfungsbereich 2 kann aus einer einseitig geschlossenen Metallhülse, beispielsweise aus Kupfer bestehen. Der Kondensationsbereich 3 kann ebenfalls aus einer einseitig geschlossenen Metallhülse hergestellt sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Verdampfungsbereich 2 und den Kondensationsbereich 3 aus einem Kunststoffmaterial 5 mit möglichst guter Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Beispielhaft werden daher in der nachfolgenden Beschreibung die für den Verdampfungsbereich 2 und den Kondensationsbereich 3 verwendeten Hülsen als Kunststoffhülsen 6, 7 bezeichnet. The heat transport unit 1 according to the invention shown in FIG. 1 has the functionality of a heat pipe and has an evaporation area 2 and a condensation area 3 which are connected to one another via a line area 4 for the transmission of thermal energy. The evaporation area 2 can consist of a metal sleeve closed on one side, for example of copper. The condensation area 3 can also be made from a metal sleeve closed on one side. However, there is also the possibility of producing the evaporation area 2 and the condensation area 3 from a plastic material 5 with the best possible thermal conductivity. The sleeves used for the evaporation area 2 and the condensation area 3 are therefore referred to as plastic sleeves 6, 7 by way of example in the following description.
Der Leitungsbereich 4 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Doppelschlauchleitung 8 gebildet, die aus einem Außenschlauch 9 und einem im Außenschlauch 9 konzentrisch verlaufenden Innenschlauch 10 besteht. Da eine exakte konzentrische Anordnung von Außenschlauch 9 und Innenschlauch 10 nicht zwingend erforderlich ist, sind in Figur 1 keine Zentrierelemente dargestellt, die jedoch in Form von innen am Außenschlauch 9 abragenden Zentrierstegen vorhanden sein könnten. Es könnten auch in Abständen in der flexiblen Doppelschlauchleitung 8 ringförmige Zentrierelemente eingesetzt sein. In the exemplary embodiment shown, the line area 4 is formed by a double hose line 8, which consists of an outer hose 9 and an inner hose 10 running concentrically in the outer hose 9. Since an exact concentric arrangement of the outer tube 9 and inner tube 10 is not absolutely necessary, no centering elements are shown in FIG. 1, which, however, could be present in the form of centering webs projecting from the inside of the outer tube 9. 8 annular centering elements could also be used at intervals in the flexible double hose line.
Die Doppelschlauchleitung 8 besteht aus einem flexiblen Kunststoffmaterial, so dass die Wärmetransporteinheit 1 zumindest im Leitungsbereich 4 flexibel und ohne Kraftaufwand (es ist keine Kraft wie zu einem plastischen Verformen des Leitungsbereichs 4 erforderlich) gebogen werden kann und somit der Verdampfungsbereich 2 und der Kondensationsbereich 3 in unterschiedlichste Positionen oder Ausrichtungen gebracht werden können. In Figur 1 sind eine zu kühlende Wärmequelle 11 als kreisförmiger Bereich mit unterbrochener Linie und ein Wärmeabgabebereich 12 ebenfalls mit unterbrochener Kreislinie angedeutet. Befindet sich der Wärmeabgabebereich 12 an einer anderen als der dargestellten Position, ist es aufgrund der flexiblen Doppelschlauchleitung 8 möglich, dass die Wärmetransporteinheit 1 gebogen wird, so dass die den Kondensationsbereich 3 bildende Kunststoffhülse 7 mit dem Wärmeabgabebereich 12 in Wärmeleitungskontakt gebracht werden kann. Der Wärmeabgabebereich 12 kann ein Element mit Kühlrippen aus Aluminium oder aber auch ein von einem Kühlmittel durchströmtes Element aufweisen. The double hose line 8 is made of a flexible plastic material, so that the heat transport unit 1 can be bent flexibly and at least in the line area 4 and without exertion of force (no force is required as for plastic deformation of the line area 4) and thus the evaporation area 2 and the condensation area 3 in different positions or orientations can be brought. In Figure 1 are a heat source 11 to be cooled is indicated as a circular region with a broken line and a heat emission region 12 is also indicated with a broken circular line. If the heat dissipation area 12 is located at a position other than that shown, it is possible due to the flexible double hose line 8 that the heat transport unit 1 is bent, so that the plastic sleeve 7 forming the condensation area 3 can be brought into thermal conduction contact with the heat dissipation area 12. The heat emission region 12 can have an element with cooling fins made of aluminum or else an element through which a coolant flows.
Die Funktion der Wärmeübertragung wird nachfolgend beschrieben. The function of heat transfer is described below.
Mit der von der Wärmequelle 11 abgegebenen Wärmeenergie wird ein im Verdampfungsbereich 2 in der Kunststoffhülse 6 befindliches Fluid 14 erwärmt und zum Sieden und/oder Verdampfen gebracht. Das dampfförmige Fluid 14’ gelangt durch den Innenschlauch 10 entsprechend der Pfeilrichtung 15 zum Kondensationsbereich 3, der eine niedrigere Temperatur hat, so dass das verdampfte Fluid 14’ im Kondensationsbereich 3 an der Innenwand der Kunststoffhülse 7 kondensiert und zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 entsprechend der Pfeilrichtung 16 wieder als flüssiges Fluid 14 zum Verdampfungsbereich 2 zurückfließt. So lange die Wärmequelle 11 weiterhin Wärmeenergie entsprechend den Pfeilrichtungen 13 dem Verdampfungsbereich 2 zuführt und im Kondensationsbereich 3 eine Kondensation stattfindet, wird ein Zirkulationskreislauf entsprechend den Pfeilrichtungen 15, 16 aufrecht erhalten und damit ständig ein Wärmetransport von der Wärmequelle 11 zum Kondensationsbereich 3 bzw. zu einem Wärmeabgabebereich 12 durchgeführt. With the heat energy emitted by the heat source 11, a fluid 14 located in the evaporation area 2 in the plastic sleeve 6 is heated and brought to the boil and / or evaporation. The vaporous fluid 14 ′ passes through the inner tube 10 in the direction of the arrow 15 to the condensation area 3, which has a lower temperature, so that the evaporated fluid 14 ′ condenses in the condensation area 3 on the inner wall of the plastic sleeve 7 and between the outer tube 9 and the inner tube 10 flows back to the evaporation region 2 in the direction of the arrow 16 as a liquid fluid 14. As long as the heat source 11 continues to supply heat energy in accordance with the arrow directions 13 to the evaporation area 2 and condensation takes place in the condensation area 3, a circulation circuit in accordance with the arrow directions 15, 16 is maintained and thus a constant heat transfer from the heat source 11 to the condensation area 3 or to one Heat emission area 12 performed.
Als Fluid 14 sind verdampfbare Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt geeignet, die für derartige Anwendungen bei Wärmerohren oder Heatpipes allgemein bekannt sind. Mit einem Fluid, welches einen Siedepunkt bei ca. 30° Celsius hatte, wurden sehr gute Wärmeübertragungsergebnisse erzielt. Der Siedepunkt des verwendeten Fluids 14 kann je nach Anwendungsbereich in unterschiedlichen Wärmetransporteinheiten unterschiedlich hoch eingestellt sein, wobei ein Bereich zwischen 25° Celsius und 80° Celsius beispielsweise als Siedepunkt für einen vorgegebenen Anwendungsbereich vorgesehen sein kann. Die Siedetemperatur des Fluids 14 lässt sich auch durch eine Variation eines Innendrucks in der Wärmetransporteinheit 1 einstellen, der beispielsweise bei 1 bis 10 bar liegen kann. Die Wärmetransporteinheit 1 kann mit einer Länge von weniger als 2 cm oder aber auch mit einer Länge von mehr als 1 m ausgeführt werden, wobei Durchmesser von weniger als 1 mm bis über 10 mm je nach Anwendungsfall vorgesehen sein können. Für eine flexible Wärmetransporteinheit 1 mit einem Durchmesser von 10 mm kann eine Wärmeübertragung mit einer Wärmeleistung von 1200 Watt erreicht werden, und zwar bei einer Temperaturdifferenz von 10 °C zwischen dem Verdampfungsbereich 2 und dem Kondensationsbereich 3. Die Endstücke, also die Kunststoffhülsen 6, 7 der Wärmetransporteinheit 1 können gemäß Figur 8 mit als Metallblöcke ausgebildeten Thermokopplungseinheiten 31 wärmeleitend verbunden sein, beispielsweise dadurch, dass die Endstücke in Bohrungen 51 dieser Thermokopplungseinheiten 31 eingesteckt sind. Diese Thermokopplungseinheiten 31 können dann wiederum einerseits mit Wärmequellen - z.B. einem Mikroprozessor 32 - oder andererseits mit Kühleinrichtungen 33 wärmeleitend zur Realisierung eines Wärmetransportsystems verbunden sein. Die in Figur 8 eingezeichneten Pfeile zeigen beispielhaft die Transportrichtung der Wärmeübertragung über die Wärmetransporteinheiten 1. Vaporizable liquids with a low boiling point, which are generally known for such applications in heat pipes or heat pipes, are suitable as the fluid 14. Very good heat transfer results were achieved with a fluid that had a boiling point at approximately 30 ° Celsius. Depending on the area of application, the boiling point of the fluid 14 used can be set at different levels in different heat transport units, a range between 25 ° C. and 80 ° C. being possible, for example, as the boiling point for a predetermined area of application. The boiling temperature of the fluid 14 can also be set by varying an internal pressure in the heat transport unit 1, which can be, for example, 1 to 10 bar. The heat transport unit 1 can be designed with a length of less than 2 cm or also with a length of more than 1 m, with diameters from less than 1 mm to over 10 mm depending on the application. For a flexible heat transport unit 1 with a diameter of 10 mm, heat transfer with a heat output of 1200 watts can be achieved, specifically at a temperature difference of 10 ° C. between the evaporation area 2 and the condensation area 3. The end pieces, that is to say the plastic sleeves 6, 7 8 of the heat transport unit 1 can be thermally conductively connected to thermocouple units 31 designed as metal blocks, for example in that the end pieces are inserted into bores 51 of these thermocouple units 31. These thermal coupling units 31 can then in turn be connected on the one hand to heat sources - for example a microprocessor 32 - or on the other hand with cooling devices 33 in a heat-conducting manner in order to implement a heat transport system. The arrows drawn in FIG. 8 show, by way of example, the transport direction of the heat transfer via the heat transport units 1.
In Figur 2 ist eine abgewandelte, erfindungsgemäße Ausführung der Wärmetransporteinheit 1 gemäß Figur 1 dargestellt, bei der jedoch zusätzlich ein Strömungswiderstandselement 17 als ein an der Kunststoffhülse 6 nach innen abragender Ringrand vorgesehen ist. Der Ringrand kann auch als Ringwulst bezeichnet werden und dient dazu, dass in diesem Übergangsbereich zwischen dem Verdampfungsbereich 2 und dem Leitungsbereich 4 ein Querschnitt für den Rückfluss des Fluids 14 eingeengt wird. Dadurch wird erreicht, dass das verdampfte Fluid 14’ bevorzugt den Weg durch den Innenschlauch 10 wählt gemäß Pfeilrichtung 15. Wichtig ist dabei, dass das zurückfließende kondensierte Fluid nicht zu stark am Rückfluss gemäß Pfeilrichtung 16 zum Verdampfungsbereich 2 gehindert wird. Das gleiche gilt auch für ein gleichartiges Strömungswiderstandselement 18 am Übergangsbereich zwischen dem Leitungsbereich 4 und dem Kondensationsbereich 3. FIG. 2 shows a modified embodiment of the heat transport unit 1 according to FIG. 1 according to the invention, in which, however, a flow resistance element 17 is additionally provided as an annular rim which projects inwards on the plastic sleeve 6. The ring edge can also be referred to as an annular bead and serves to narrow a cross section for the backflow of the fluid 14 in this transition area between the evaporation area 2 and the line area 4. It is thereby achieved that the evaporated fluid 14 ″ preferably selects the path through the inner tube 10 in the direction of the arrow 15. It is important that the flowing back condensed fluid is not prevented too strongly from the backflow in the direction of the arrow 16 to the evaporation region 2. The same also applies to a similar flow resistance element 18 at the transition area between the line area 4 and the condensation area 3.
Die beiden Strömungswiderstandselemente 17, 18 dienen gleichzeitig auch alsThe two flow resistance elements 17, 18 also serve as
Zentrierelemente für den Innenschlauch 10, so dass dieser wenigstens in den Übergangsbereichen annähernd konzentrisch im Außenschlauch 9 bzw. zu den Kunststoffhülsen 6, 7 angeordnet ist. Die Strömungswiderstandselemente 17, 18 können sehr vorteilhaft auch als Noppen ausgebildet sein, die den zwischen ihnen einliegenden Innenschlauch 10 in seiner Lage fixieren. Zwischen den einzelnen Noppen können Freiräume verbleiben, durch die das rückfließende Fluid 14 entsprechend der Pfeilrichtung 16 vom Kondensationsbereich 3 zum Verdampfungsbereich 2 zurückfließen kann. Centering elements for the inner tube 10, so that it is at least approximately concentrically arranged in the outer tube 9 or to the plastic sleeves 6, 7 in the transition areas. The flow resistance elements 17, 18 can very advantageously also be designed as knobs that lie between them Fix the inner tube 10 in place. Clearances can remain between the individual knobs, through which the back-flowing fluid 14 can flow back from the condensation area 3 to the evaporation area 2 in accordance with the direction of the arrow 16.
Die Strömungswiderstandselemente 17, 18 können auch als umlaufende Ringwulste oder Ringblenden ausgeführt sein, die vom Außenschlauch 9 nach innen stehen und einen größeren Innendurchmesser aufweisen als ein Außendurchmesser des Innenschlauchs 10 oder die vom Innenschlauch 10 nach außen stehen und einen kleineren Außendurchmesser aufweisen als ein Innendurchmesser des Außenschlauchs 9, so dass ein Ringspalt 19 zwischen den Strömungselementen 17, 18 und dem Innenschlauch 10 oder dem Außenschlauch 9 besteht, durch den das flüssige Fluid 14 vom Kondensationsbereich 3 zum Verdampfungsbereich 2 zurück fließen kann. The flow resistance elements 17, 18 can also be designed as circumferential ring beads or ring diaphragms, which stand inwards from the outer hose 9 and have a larger inner diameter than an outer diameter of the inner hose 10 or which stand outwards from the inner hose 10 and have a smaller outer diameter than an inner diameter of the Outer hose 9, so that there is an annular gap 19 between the flow elements 17, 18 and the inner hose 10 or the outer hose 9, through which the liquid fluid 14 can flow back from the condensation area 3 to the evaporation area 2.
Eine andere Möglichkeit sind Strömungswiderstandselemente 17, 18 in Form umlaufender Ringwulste oder Ringblenden, die Unterbrechungen an Umfangsstellen aufweisen, durch die das flüssige Fluid 14 vom Kondensationsbereich 3 zum Verdampfungsbereich 2 zurück fließen kann (nicht dargestellt). Another possibility are flow resistance elements 17, 18 in the form of circumferential ring beads or ring diaphragms which have interruptions at peripheral points through which the liquid fluid 14 can flow back from the condensation area 3 to the evaporation area 2 (not shown).
In Figur 1 und Figur 2 ist die Wärmetransporteinheit 1 jeweils etwa zur Hälfte mit flüssigem Fluid 14 und im Übrigen mit gas- bzw. dampfförmigem Fluid 14' gefüllt. Der Füllstand kann je nach Anwendungsbereich und je nach verwendetem Fluid unterschiedlich gewählt werden und ändert sich durch Verdampfen eines Teils des Fluids 14. Bei einem Füllstand von 30% bis 50% des vorhandenen Volumens mit flüssigem Fluid 14 wurden gute Zirkulationseigenschaften erzielt. Je nach verwendetem Fluid und abhängig vom Anwendungsbereich können andere Füllstände zweckmäßig sein. In FIG. 1 and FIG. 2, the heat transport unit 1 is filled approximately halfway with liquid fluid 14 and otherwise with gaseous or vaporous fluid 14 '. The fill level can be selected differently depending on the area of application and the fluid used and changes as a result of the evaporation of part of the fluid 14. Good circulation properties have been achieved at a fill level of 30% to 50% of the volume with liquid fluid 14. Depending on the fluid used and depending on the area of application, other fill levels may be appropriate.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt der Wärmetransporteinheit 1 von Figur 2 im Verdampfungsbereich 2. Durch Zufuhr von Wärme entsprechend den Pfeilrichtungen 13 über die Kunststoffhülse 6 zum Fluid 14 wird das Fluid 14 erwärmt, so dass ein Verdampfungsvorgang stattfindet. Dabei steigen Bläschen 20 im Fluid 14 auf, was durch einzelne Pfeile angedeutet ist. Da der wirksame Leitungsquerschnitt des Innenschlauchs 10 größer ist als der für den Rückfluss gemäß Pfeilrichtung 16 vorgesehene Leitungsquerschnitt, verdampft das Fluid 14 über den Innenschlauch 10 und gelangt damit auch über den Innenschlauch 10 zum Kondensationsbereich 3 (Fig. 1, Fig. 2). Große Gasblasen 24 treten aufgrund ihrer Größe nicht in den Ringspalt zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 ein und zerplatzen, bevor sie in den Innenschlauch 10 gelangen. Durch ihr Entstehen und Zerplatzen erzeugen die großen Gasblasen 24 einen pulsierenden Druck im Verdampfungsbereich 2, der einen Pumpeffekt bewirkt, der das Fluid 14 auch flüssig in den Innenschlauch 10 verdrängt, wodurch das Fluid 14 in einem Kreislauf durch den Innenschlauch 10 vom Verdampfungsbereich 2 in den Kondensationsbereich 3 und durch den Ringspalt 19 zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 zurück in den Verdampfungsbereich 2 gefördert wird. Durch den pulsierenden Druck, den die entstehenden und zerplatzenden Gasblasen 24 bei Wärmezufuhr im Verdampfungsbereich 2 erzeugen, wird das Fluid 14 sozusagen im Kreislauf "gepumpt". FIG. 3 shows a longitudinal section of the heat transport unit 1 from FIG. 2 in the evaporation area 2. By supplying heat in the direction of the arrow 13 via the plastic sleeve 6 to the fluid 14, the fluid 14 is heated so that an evaporation process takes place. Here bubbles 20 rise in the fluid 14, which is indicated by individual arrows. Since the effective line cross section of the inner tube 10 is larger than the line cross section provided for the backflow in the direction of the arrow 16, the fluid 14 evaporates via the inner tube 10 and thus also passes through the Inner hose 10 to the condensation area 3 (Fig. 1, Fig. 2). Due to their size, large gas bubbles 24 do not enter the annular gap between the outer tube 9 and the inner tube 10 and burst before they get into the inner tube 10. Due to their formation and bursting, the large gas bubbles 24 generate a pulsating pressure in the evaporation area 2, which causes a pumping effect, which also displaces the fluid 14 liquid into the inner tube 10, as a result of which the fluid 14 circulates from the evaporation area 2 into the inner tube 10 Condensation area 3 and through the annular gap 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10 back into the evaporation area 2. The fluid 14 is, so to speak, "pumped" in the circuit by the pulsating pressure that the gas bubbles 24 that develop and burst when heat is applied in the evaporation region 2.
In Figur 4 ist eine Ausführung einer Doppelschlauchleitung 8 dargestellt, bei der der Außenschlauch 9 an seiner Innenwand eine Kapillarstruktur 21 hat, die sich über die gesamte Länge des Außenschlauchs 9 erstreckt. Mit der unterbrochenen Kreislinie wird angedeutet, dass sich die Kapillarstruktur 21 über den gesamten Umfang an der Innenwand erstrecken kann. Figur 5 zeigt den Längsschnitt der in Figur 4 dargestellten Anordnung. FIG. 4 shows an embodiment of a double hose line 8 in which the outer hose 9 has a capillary structure 21 on its inner wall, which extends over the entire length of the outer hose 9. The broken circular line indicates that the capillary structure 21 can extend over the entire circumference on the inner wall. Figure 5 shows the longitudinal section of the arrangement shown in Figure 4.
Figur 6 und Figur 7 zeigen einen Querschnitt und einen Längsschnitt einer Doppelschlauchleitung 8 mit einem über die gesamte Länge sich erstreckenden einliegenden Dochtelement 22. Beispielhaft erstreckt sich hier das Dochtelement 22 nur über ein Teilsegment des für den Rückfluss vom Kondensationsbereich 3 zum Verdampfungsbereich 2 vorgesehenen Zwischenraums 23. Grundsätzlich kann das Dochtelement 22 auch den Zwischenraum 23 vollständig ausfüllen. Das Dochtelement 22 und die Kapillarstruktur 21 (Fig. 4, Fig. 5) können zur Unterstützung des Rückflusses des kondensierten Fluids 14 beitragen. 6 and FIG. 7 show a cross section and a longitudinal section of a double hose line 8 with an inserted wick element 22 extending over the entire length. For example, the wick element 22 here extends only over a partial segment of the space 23 provided for the backflow from the condensation area 3 to the evaporation area 2 In principle, the wick element 22 can also completely fill the intermediate space 23. The wick element 22 and the capillary structure 21 (FIGS. 4, 5) can help to support the backflow of the condensed fluid 14.
Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmetransporteinheit 1 mit der Funktionalität eines Wärmerohrs, die wie in Figuren 1 und 2 einen Verdampfungsbereich 2 und einen Kondensationsbereich 3 aufweist, die über einen Leitungsbereich 4 zur Übertragung thermischer Energie miteinander verbunden sind. Wie in Figuren 1 und 2 ist der Leitungsbereich 4 in Figur 9 flexibel und wird von einer Doppelschlauchleitung 8 mit einem Außenschlauch 9 und einem Innenschlauch 10 gebildet. Ein Durchmesser des Innenschlauchs 10 ist 2/3 so groß wie ein Durchmesser des Außenschlauchs 9. Der Innenschlauch 10 weist einen halb so großen Übergangswiderstand für die Durchströmung des Fluids 14 mit Gasblasen 24 wie der Außenschlauch 9 beziehungsweise der ringförmige Zwischenraum 19 zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 für die Rückströmung des Fluids 14 auf, das hier keine Gasblasen enthält. FIG. 9 shows a heat transport unit 1 according to the invention with the functionality of a heat pipe, which, as in FIGS. 1 and 2, has an evaporation region 2 and a condensation region 3, which are connected to one another via a line region 4 for the transmission of thermal energy. As in FIGS. 1 and 2, the line area 4 in FIG. 9 is flexible and is formed by a double hose line 8 with an outer hose 9 and an inner hose 10. A diameter of the inner tube 10 is 2/3 as large as a diameter of the outer tube 9. The inner tube 10 has a half the contact resistance for the flow of the fluid 14 with gas bubbles 24 as the outer tube 9 or the annular space 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10 for the backflow of the fluid 14, which contains no gas bubbles here.
An oder nahe einem dem Verdampfungsbereich 2 zugewandten Ende weist der Innenschlauch 10 eine schräg nach außen und in Richtung des Verdampfungsbereichs 3 abstehende Manschette 25 auf. Die Manschette 25 hat im Ausführungsbeispiel die Form eines Hohlkegelstumpfs und ist biegeschlaff oder elastisch. Die Manschette 25 ist axial so lang, dass sie innen am Außenschlauch 9 anliegen kann und gegen eine Strömung des Fluids 14 vom Verdampfungsbereich 2 zum Kondensationsbereich 3 im Ringspalt 19 zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 sperrt. Die Strömung des Fluids 14 vom Kondensationsbereich 3 zum Verdampfungsbereich 2 hebt die Manschette 25 vom Außenschlauch 9 ab und drückt sie nach innen in Richtung des Innenschlauchs 10, so dass das Fluid 14 an der Manschette 25 vorbei in den Verdampfungsbereich 2 strömen kann. Die Manschette 25 bildet ein Rückschlagventil, das gegen eine Strömung in dem Ringspalt 19 zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10, der die Leitung für die Strömung des flüssigen Fluids 14 vom Kondensationsbereich 3 zum Verdampfungsbereich 2 bildet, in entgegengesetzter Richtung sperrt. Die das Rückschlagventil bildende Manschette 25 kann auch an anderer Stelle zwischen dem Verdampfungsbereich 2 und dem Kondensationsbereich 3 im Ringspalt 19 zwischen dem Außenschlauchs 9 und dem Innenschlauch 10 angeordnet sein und sie kann vom Außenschlauchs 9 schräg nach innen abstehen (nicht dargestellt) anstatt wie dargestellt vom Innenschlauch 10 schräg nach außen abstehen. At or near an end facing the evaporation area 2, the inner tube 10 has a sleeve 25 which projects obliquely outwards and in the direction of the evaporation area 3. In the exemplary embodiment, the sleeve 25 has the shape of a hollow truncated cone and is limp or elastic. The sleeve 25 is axially long enough that it can rest against the inside of the outer hose 9 and block against a flow of the fluid 14 from the evaporation area 2 to the condensation area 3 in the annular gap 19 between the outer hose 9 and the inner hose 10. The flow of the fluid 14 from the condensation area 3 to the evaporation area 2 lifts the cuff 25 off the outer tube 9 and presses it inwards in the direction of the inner tube 10, so that the fluid 14 can flow past the cuff 25 into the evaporation area 2. The cuff 25 forms a non-return valve, which blocks flow in the annular gap 19 between the outer hose 9 and the inner hose 10, which forms the conduit for the flow of the liquid fluid 14 from the condensation area 3 to the evaporation area 2, in the opposite direction. The cuff 25 forming the check valve can also be arranged elsewhere between the evaporation area 2 and the condensation area 3 in the annular gap 19 between the outer hose 9 and the inner hose 10 and it can protrude obliquely inwards from the outer hose 9 (not shown) instead of as shown from Project the inner hose 10 at an angle to the outside.
Im Innenschlauch 10 ist ebenfalls eine biegeschlaffe oder elastische Manschette 26 angeordnet, die schräg nach innen und in Richtung des Kondensationsbereichs 3 absteht. Diese Manschette 26 ist axial so kurz, dass sie den Innenschlauch 10 nicht verschließen kann, sondern nur seinen Durchströmungsquerschnitt verkleinert. Die Manschette 26 im Innenschlauch 10 bildet eine Rückflussdrossel, die der Durchströmung in der vorgesehenen Richtung vom Verdampfungsbereich 2 zum Kondensationsbereich 3 keinen oder nur einen kleinen Strömungswiderstand entgegensetzt, wogegen sie einer umgekehrten Strömung einen hohen oder jedenfalls höheren Widerstand entgegen setzt. Auch die Manschette 25 außen am Innenschlauch 10 kann allgemein auch als Rückflussdrossel aufgefasst werden, die allerdings gegen eine Durchströmung entgegen der vorgesehenen Richtung sperrt. In the inner tube 10 there is also a flexible or elastic sleeve 26 which projects obliquely inwards and in the direction of the condensation area 3. This sleeve 26 is axially so short that it cannot close the inner tube 10, but only reduces its flow cross-section. The sleeve 26 in the inner tube 10 forms a backflow throttle, which opposes the flow in the intended direction from the evaporation area 2 to the condensation area 3, or only a small flow resistance, whereas it opposes a reverse flow with a high or at least higher resistance. The cuff 25 on the outside Inner hose 10 can generally also be understood as a reflux throttle, which, however, blocks flow against the intended direction.
Ausführungen der Wärmetransporteinheit 1 ohne die beiden Manschetten 25, 26 oder mit nur einer der beiden Manschetten 25, 26 sind möglich. Designs of the heat transport unit 1 without the two sleeves 25, 26 or with only one of the two sleeves 25, 26 are possible.
Im Außenschlauch 9 befinden sich außerdem im Bereich des dem Verdampfungsbereich 2 zugewandten Ende des des Innenschlauchs 10 ein hohlkegelstumpfförmiger Verwirbeler 27, der vom Außenschlauchs 9 schräg in Richtung des Verdampfungsbereichs 2 nach innen steht, und im Verdampfungsbereich 2 ein ringförmiger, nach innen stehender, hohlrunder Verwirbeler 28, der näher am Ende des Innenschlauchs 10 als am Ende des Verdampfungsbereichs 2 angeordnet ist. Ausführungen der Wärmetransporteinheit 1 ohne oder mit nur einem Verwirbeler 27, 28 sind möglich. In the outer tube 9 there are also in the region of the end of the inner tube 10 facing the evaporation zone 2 a frustoconical hollow cone 27 which is inclined inwards from the outer tube 9 in the direction of the evaporation zone 2, and in the evaporation zone 2 there is an annular, inwardly standing, hollow, round vortex 28, which is arranged closer to the end of the inner tube 10 than at the end of the evaporation region 2. Designs of the heat transport unit 1 without or with only one swirler 27, 28 are possible.
Durch Zufuhr von Wärme 13 entstehen im Verdampfungsbereich 2 Gasblasen 24 mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser des Innenschlauchs 10, die ihren Durchmesser zum Eintritt in den Innenschlauch 10 verkleinern müssen und sich dabei axial verlängern. Die Gasblasen 24 sind zu groß um in den Ringspalt 19 zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 einzutreten. Die Gasblasen 24 schieben flüssiges Fluid 14 im Innenschlauch 10 vor sich her vom Verdampfungsbereich 2 zum Kondensationsbereich 3. Außerdem erzeugen die Gasblasen 24 Druckwellen, die sich wegen des größeren Querschnitts und wegen der Verwirbeler 27, 28 und der vom Ende des Innenschlauchs 10 schräg nach außen abstehenden Manschette 25 stärker in den Innenschlauch 10 als in den Ringspalt 19 zwischen dem Außenschlauch 9 und dem Innenschlauch 10 fortsetzen. Auch die Druckwellen fördern das Fluid 14 im Innenschlauch 10 vom Verdampfungsbereich 2 zum Kondensationsbereich 3. By supplying heat 13, gas bubbles 24 with a larger diameter than the diameter of the inner tube 10 are formed in the evaporation area 2, which must reduce their diameter for entry into the inner tube 10 and thereby lengthen axially. The gas bubbles 24 are too large to enter the annular gap 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10. The gas bubbles 24 push liquid fluid 14 in the inner tube 10 in front of them from the evaporation area 2 to the condensation area 3. In addition, the gas bubbles 24 generate pressure waves which, due to the larger cross section and because of the swirlers 27, 28 and from the end of the inner tube 10, obliquely outwards continue the protruding cuff 25 into the inner tube 10 more than into the annular gap 19 between the outer tube 9 and the inner tube 10. The pressure waves also convey the fluid 14 in the inner tube 10 from the evaporation area 2 to the condensation area 3.
Mit der in Figur 9 gezeichneten und vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Wärmetransporteinheit 1 ist eine Strömung des Fluids 14 im Innenschlauch 10 vom Verdampfungsbereich 2 zum Kondensationsbereich 3 und damit ein Wärmetransport in dieser Richtung auch entgegen der Schwerkraft möglich. With the heat transport unit 1 according to the invention shown in FIG. 9 and described above, a flow of the fluid 14 in the inner tube 10 from the evaporation area 2 to the condensation area 3 and thus a heat transport in this direction is also possible against gravity.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Hermetisch geschlossene Wärmetransporteinheit (1), die ein gasförmiges und flüssiges Fluid (14, 14') als Wärmeträger enthält, mit einem Verdampfungsbereich (2) und mit einem Kondensationsbereich (3) sowie einem zwischen dem Verdampfungsbereich (2) und dem Kondensationsbereich (3) angeordneten Leitungsbereich (4), über den thermische Energie vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) transportiert wird, wobei der Leitungsbereich (4) aus zwei Verbindungsleitungen besteht und wobei durch eine der beiden Verbindungsleitungen verdampftes Fluid (14’) vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) gelangt und wobei die andere der beiden Verbindungsleitungen als Rückflussleitung für kondensiertes Fluid (14) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinheit (1) als flexibles Wärmerohr ausgeführt ist und dass eine Querschnittsfläche der für eine Leitung des verdampften Fluids (14’) vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) vorgesehenen Verbindungsleitung größer ist als eine Querschnittsfläche der für die Rückführung des kondensierten Fluids (14) vom Kondensationsbereich (3) zum Verdampfungsbereich (2) vorgesehenen Verbindungsleitung. 1. Hermetically sealed heat transport unit (1), which contains a gaseous and liquid fluid (14, 14 ') as a heat carrier, with an evaporation area (2) and with a condensation area (3) and between the evaporation area (2) and the condensation area ( 3) arranged line area (4) via which thermal energy is transported from the evaporation area (2) to the condensation area (3), the line area (4) consisting of two connecting lines and wherein fluid (14 ') evaporated through one of the two connecting lines from the evaporation area (2) arrives at the condensation area (3) and the other of the two connecting lines serves as a return line for condensed fluid (14), characterized in that the heat transport unit (1) is designed as a flexible heat pipe and that a cross-sectional area for a line of the evaporated Fluids (14 ') from the evaporation area (2) to the condensation area (3) v The connecting line provided is larger than a cross-sectional area of the connecting line provided for the return of the condensed fluid (14) from the condensation area (3) to the evaporation area (2).
2. Wärmetransporteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der für die Leitung des verdampften Fluids (14’) vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) vorgesehenen Verbindungsleitung mindestens doppelt so groß wie die Querschnittsfläche der für die Rückführung des kondensierten Fluids (14) vom Kondensationsbereich (3) zum Verdampfungsbereich (2) vorgesehenen Verbindungsleitung. 2. Heat transport unit according to claim 1, characterized in that the cross-sectional area of the connecting line provided for the conduction of the evaporated fluid (14 ') from the evaporation area (2) to the condensation area (3) is at least twice as large as the cross-sectional area of the return line for the condensed fluid (14) from the condensation area (3) to the evaporation area (2) provided connecting line.
3. Wärmetransporteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der für die Leitung des verdampften Fluids (14’) vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) vorgesehenen Verbindungsleitung kleiner als ein Durchmesser von Gasblasen ist, die beim Verdampfen des Fluids (14) im Verdampfungsbereich (2) entstehen. 3. Heat transport unit according to claim 1 or 2, characterized in that a diameter of the connecting line provided for the conduction of the evaporated fluid (14 ') from the evaporation region (2) to the condensation region (3) is smaller than a diameter of gas bubbles which are present when the Fluids (14) arise in the evaporation area (2).
4. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (14) im Verdampfungsbereich (2) flüssig ist. 4. Heat transport unit according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the fluid (14) in the evaporation area (2) is liquid.
5. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Verbindungsleitung elastisch aufweitbar ist. 5. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that an outer connecting line is elastically expandable.
6. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen eine flexible Doppelschlauchleitung (8) bilden, die aus einem Außenschlauch (9) und einem im Außenschlauch (9) verlaufenden Innenschlauch (10) besteht. 6. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the connecting lines form a flexible double hose line (8) consisting of an outer hose (9) and an inner hose (10) extending in the outer hose (9).
7. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückflussleitung an ihrer Innenwand eine Kapillarstruktur (21) hat. 7. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the return line has a capillary structure (21) on its inner wall.
8. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungswiderstandselement (17) im Übergangsbereich zwischen einer der beiden Verbindungsleitungen und dem Verdampfungsbereich (2) angeordnet ist. 8. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least one flow resistance element (17) is arranged in the transition region between one of the two connecting lines and the evaporation region (2).
9. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung, durch die das verdampfte Fluid (14’) vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) gelangt, eine Rückflussdrossel (26) aufweist, die einer Rückströmung von Fluid vom Kondensationsbereich (3) zum Verdampfungsbereich (2) einen größeren Strömungswiderstand entgegensetzt als der Strömung vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) und/oder dass die für die Rückführung des kondensierten Fluids (14) vom Kondensationsbereich (3) zum Verdampfungsbereich (2) vorgesehenen Verbindungsleitung eine Rückflussdrossel (25) aufweist, die einer Strömung von Fluid vom Verdampfungsbereich (2) zum Kondensationsbereich (3) einen größeren Strömungs widerstand entgegensetzt als der Rückströmung von Fluid vom Kondensationsbereich (3) zum Verdampfungsbereich (2). 9. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the connecting line through which the evaporated fluid (14 ') from the evaporation area (2) to the condensation area (3) has a reflux throttle (26) which allows a backflow of Fluid from the condensation area (3) to the evaporation area (2) opposes a greater flow resistance than the flow from the evaporation area (2) to the condensation area (3) and / or that for the return of the condensed fluid (14) from the condensation area (3) to the evaporation area ( 2) provided connecting line has a reflux throttle (25) which opposes a flow of fluid from the evaporation area (2) to the condensation area (3) a greater flow resistance than the backflow of fluid from the condensation area (3) to the evaporation area (2).
10. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungsbereich (2) und der Kondensationsbereich (3) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. 10. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the evaporation area (2) and the condensation area (3) consist of a material with high thermal conductivity.
11. Wärmetransporteinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Kunststoffmaterial mit Zuschlagstoffen, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen, ist. 11. Heat transport unit according to claim 10, characterized in that the material is a plastic material with additives that increase the thermal conductivity.
12. Wärmetransporteinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (14, 14’) eine niedrige Siedetemperatur hat, die bei einem Druck von 0,001 bis 100 bar in einem Bereich zwischen -20° Celsius und +1000° Celsius liegt. 12. Heat transport unit (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fluid (14, 14 ') has a low boiling temperature, which at a pressure of 0.001 to 100 bar in a range between -20 ° Celsius and + 1000 ° Celsius.
13. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Weiterleitung des verdampften Fluids (14’) vorgesehene Verbindungsleitung geringfügig in den Raum des Verdampfungsbereichs (2) und tief in den Raum des Kondensationsbereichs (3) hineinragt. 13. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the connecting line provided for the forwarding of the vaporized fluid (14 ’) projects slightly into the space of the evaporation area (2) and deep into the space of the condensation area (3).
14. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapillarstruktur (21) an einer Innenwand einer der Verbindungsleitungen im Extrusionsverfahren hergestellt ist. 14. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that a capillary structure (21) is produced on an inner wall of one of the connecting lines in the extrusion process.
15. Wärmetransporteinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinheit (1) zum Kühlen von elektronischen Bauteilen, insbesondere von Mikroprozessoren, in ein elektrisches Gerät eingesetzt ist. 15. Heat transport unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the heat transport unit (1) is used for cooling electronic components, in particular microprocessors, in an electrical device.
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