DE102008021975A1

DE102008021975A1 - Druckgesteuertes Wärmerohr

Info

Publication number: DE102008021975A1
Application number: DE200810021975
Authority: DE
Inventors: Florian Schneider; Ingolf Dr. Hörschler; Stefan Lutz; Alexander Dr. Meijering
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Es wird ein druckgesteuertes Wärmerohr beschrieben, das in seiner Wandung mindestens einen elastischen Teilbereich aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein druckgesteuertes Wärmerohr.
Ein Wärmerohr ist eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, die meist röhrenförmig ist und aus einem hermetisch abgekapselten Raum besteht, der mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist und der an einem Ende eine Verdampfungszone und am anderen Ende eine Kondensationszone aufweist. Die Verdampfungszone ist dabei mit einer Wärmequelle verbunden, so dass das Arbeitsmedium, das sich in diesem Bereich befindet soweit erwärmt wird, dass es verdampft. Das dampfförmige, also gasförmige Arbeitsmedium, strömt dann in Richtung der Kondensationszone, wo es kondensiert, so dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form wiedergewonnen wird. Über ein spezielles Kapillarsystem wird dann das kondensierte Arbeitsmedium wieder in Richtung der Verdampfungszone transportiert, wo es erneut in den Verdampfungs-Kondensations-Zyklus eintreten kann.
Durch diese Funktionsweise, nämlich der Ausnutzung des physikalischen Effekts beim Verdampfen und Kondensieren einer Flüssigkeit werden sehr große Energiemengen umgesetzt.
Wärmerohre werden seit langem in der Raumfahrt- und Satellitentechnik eingesetzt und finden ferner Anwendung als Wärmetauschersysteme oder zur Kühlung von Mikroelektronik und elektronischen Bauteilen.
Die Installation von Wärmerohren ist nicht einfach und oftmals mit Problemen behaftet. Allein die Konzeption einer ein Wärmerohr enthaltenden Anlage ist kompliziert und umfasst Fragestellungen nach der Größe und Lage bzw. Anordnung das Wärmerohrs, dem geeigneten Arbeitsmedium und der Kombination mit Kühl- bzw. Wärmeaustauschvorrichtungen.
Ein grundlegender Nachteil von Wärmerohren ist weiter die schwer steuerbare Wärmetransportfähigkeit, die systemimmanent ist, denn in einem Wärmerohr wird die Wärmetransportfähigkeit im Wesentlichen durch den Temperaturgradienten zwischen der Verdampfungszone und der Kondensationszone bestimmt. In einem vorgegebenen System mit vorgegebenem Arbeitsmedium und definierter Wärmequelle bzw. Wärmeaufnahmequelle in der Kondensationszone, ist der Temperaturgradient und damit die Wärmetransportfähigkeit von vornherein bestimmt und damit invariant.
Eine Weiterentwicklung von unregelbaren Wärmerohren sind druckgesteuerte Wärmerohre, wie sie zum Beispiel in der EP 0 212 473 B1 beschrieben werden. Die Temperatur solcher Wärmerohre kann durch das Einlassen eines Inertgasstopfens oder eines Verdrängungskörpers in die Kondensationszone des Wärmerohrs beeinflusst werden. Soll die Temperatur des Wärmerohrs zum Beispiel erhöht werden, steigert man den Inertgasdruck auf Seiten der Kondensationszone, wodurch die Fläche der Kondensationszone verringert wird. Probleme entstehen hier durch sich in der Kondensationszone ausbildende Nebelzonen, die kondensiertes Arbeitsmedium darstellen, das an diesen Stellen nicht effektiv in die Verdampfungszone rückgefördert werden kann.
Die Nachteile der bekannten druckgesteuerten Wärmerohre sind bislang nicht überwunden, zudem ergeben sich durch den komplizierten Aufbau eines derart gebildeten Wärmerohrs weitere Probleme in Bezug auf die Dichtheit, gerade an den unterschiedlichen Anschlussstellen, des Systems.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein druckgesteuertes Wärmerohr bereitzustellen, das die Nachteile im Stand der Technik überwindet, das also durch einen einfachen und damit kostengünstigen Aufbau hinsichtlich seiner Wärmetransportfähigkeit steuerbar ist, und bei dem Wärmeübergänge auf Temperaturniveaus, auf denen es nicht gewünscht ist, verhindert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein druckgesteuertes Wärmerohr bereitgestellt wird, das eine erste Wand umfasst, innerhalb der ein hermetisch abgekapselter Raum gebildet ist, in dem eine Verdampfungszone, eine Kondensationszone, ein Arbeitsmedium und ein System zur Rückführung von in der Kondensationszone kondensiertem Arbeitsmedium in die Verdampfungszone vorgesehen sind, das sich dadurch auszeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten Wand aus elastischem Material besteht.
Durch diesen einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen druckgesteuerten Wärmerohrs ist es möglich, mittels mechanischer oder auch physikalischer Mittel, mindestens einen Teil des elastischen Teils der ersten Wand in den Innenraum des Wärmerohrs einzustülpen, so dass im Innenraum des Wärmerohrs das Volumen reduziert wird, was eine Druckänderung in Bezug auf das Arbeitsmedium nach sich zieht. Damit ist das Wärmerohr hinsichtlich seiner Wärmetransportfähigkeit steuerbar. Ferner finden die Wärmeübergänge auf den Temperaturniveaus statt, auf denen es gewünscht ist.
Das erfindungsgemäße Wärmerohr kann dabei seinen Komponenten nach und von seiner Konstitution her ein gewöhnliches Wärmerohr sein, das mit unterschiedlichen Arbeitsmedien befüllbar ist und eine übliche Verdampfungs- und Kondensationszone aufweist. Auch im Hinblick auf das Rückführungssystem des in der Kondensationszone kondensierten Arbeitsmediums bestehen keinerlei Einschränkungen.
Das erfindungsgemäße Wärmerohr eignet sich zum vertikalen bzw. horizontalen Einbau, je nach Aufbau des Systems.
Das Arbeitsmedium kann, je nach Anwendungsgebiet, insbesondere in Abhängigkeit des gewünschten Temperaturniveaus, variieren und besteht im Fall von Hochtemperaturwärmerohren z. B. aus Natrium, Lithium oder Silber, während im Fall von Tieftemperaturwärmerohren Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff als Arbeitsmedium dienen können.
Als Materialien für einen starren Teil der Wandung des Wärmerohres, also der sogenannten ersten Wand, kommen diverse Metalle wie Kupfer oder Metalllegierungen und Stähle in Betracht.
Je nach Größe des Wärmerohrs und je nach gewünschter Druckänderung im Inneren des Wärmerohrs, können zum einen unterschiedliche elastische Materialien zur Anwendung kommen und zum anderen die Fläche, die aus elastischem Material besteht, in ihrer Größe variiert werden.
Der elastische Teil der ersten Wand des Wärmerohrs kann das Wärmerohr auch vollständig umlaufen. Damit entsteht ein gemäß der Form des Wärmerohrs gebildeter umlaufender geschlossener elastischer Bereich. Die Umlaufrichtung liegt vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Wärmerohrs. Hierdurch ist es möglich eine gleichmäßige Einschnürung des Wärmerohrs an derjenigen Stelle vorzunehmen, an der sich der elastische Teil der Wand befindet.
Ebenfalls ist es möglich die Größe der Fläche des elastischen Bereiches der ersten Wand des erfindungsgemäßen Wärmerohrs zu variieren. Zum Beispiel kann eine vordefinierte Fläche des elastischen Materials nur in einen bestimmten Teil der Wand des Wärmerohrs integriert werden, oder aber es werden mehrere solcher Stellen in die Wandung integriert.
Ferner kann die Lage derjenigen Stelle der ersten Wand des Wärmerohrs, die aus elastischem Material besteht, variieren. Mögliche Optionen für deren Lage sind die Verdampfungszone, die Kondensationszone und der zwischen den beiden Zonen liegende näherungsweise adiabate Bereich. Im Falle der Erniedrigung der Wärmetransportleistung, also zum Beispiel bei Aussetzung oder Verminderung der Kühlung eines Bauelements, wird der mindestens eine elastische Teil der Wandung des Wärmerohrs vorzugsweise im Bereich der Verdampfungszone liegen. Der Vorteil dieser Position des elastischen Teils der ersten Wand liegt darin, dass hier direkt auf das Volumen der Verdampfungszone Einfluss genommen werden kann, und damit die Unterbrechung des Wärmeabtransports unmittelbar beeinflussbar ist.
Der Druck auf den elastischen Teil der ersten Wand des erfindungsgemäßen Wärmerohrs kann durch alle gängigen Mittel ausgeübt werden, etwa durch Einschnürung mittels eines geeigneten Bandes, durch Druckluft oder durch Eindrücken mittels eines Stempels. Die Vielfalt an Möglichkeiten ist nicht beschränkt.
Das erfindungsgemäße Wärmerohr eignet sich zur Erwärmung bzw. Kühlung von diversen Bauteilen und Geräten. Ferner kann damit aber auch die Wärmeübertragung von Wärme- bzw. Kältespeichern oder -quellen gezielt gesteuert werden, wodurch ein sogenanntes „Flash-heating” bzw. „Flash-cooling” möglich ist. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Wärmerohrs liegt aber auch in der Verwendung als Thermostat.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Teil des elastischen Teils der ersten Wand des Wärmerohrs von einer zweiten Wand umgeben. Die zweite Wand besteht dabei aus einem starren Material, zum Beispiel aus demselben Material wie ein vorzugsweise vorhandener nicht elastischer Teil der ersten Wand des Wärmerohrs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Wand die erste Wand des Wärmerohrs auch komplett umgeben.
Die Ausführungsform mit einer zweiten Wand, die zumindest einen Teil desjenigen ersten Wandteils umgibt, der aus elastischem Material besteht, birgt den Vorteil, dass die Druckaufbringung auf den elastischen Teil der ersten Wand des erfindungsgemäßen Wärmerohrs durch ein in den Zwischenraum, also das Volumen zwischen der ersten Wand und der mindestens einen Teil des elastischen Teils der ersten Wand umgebenden zweiten Wand, eingebrachtes Medium gesteuert werden kann.
Das Medium kann dabei ein Gas, wie Luft oder dergleichen, sein. Luft ist ein Gas, das überall verfügbar und noch dazu kostenneutral ist und keine aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen erfordert.
Ebenso kann die Abluft eines weiteren Bauteils als Medium verwendet werden, wodurch eine noch größere Energie- und damit Kosteneinsparung möglich ist, da die Abluft ja sofort verfügbar und ggf. sogar entsprechend vortemperiert ist.
Ebenfalls ist es möglich, in den so gebildeten Zwischenraum eine Flüssigkeit einzufüllen. Gerade im Fall von Flüssigkeiten ist die Druckausübung besonders effektiv, da Flüssigkeiten naturgemäß deutlich weniger kompressibel sind als Gase.
In einer weiteren Ausführungsform ist an das erfindungsgemäße Wärmerohr, das eine erste Wand und eine zweite Wand umfasst, eine Heiz- bzw. Kühlvorrichtung angebracht. Jegliche Art von Heiz- bzw. Kühlvorrichtungen kommt hierfür in Betracht und kann an unterschiedlichen Stellen des Wärmerohrs angebracht werden. Voraussetzung ist aber, dass die Heiz- bzw. Kühlvorrichtung zusammen mit dem Volumen zwischen der ersten und der zweiten Wand ein abgeschlossenes, definiertes Volumen darstellt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Druckänderung durch Wärmeausdehnung des Mediums, bei Erwärmen desselben, im Volumen zwischen der ersten und der zweiten Wand über den elastischen Teil der ersten Wand in den Innenraum des erfindungsgemäßen Wärmerohrs fortgebildet wird.
Die Kombination mit einer Heiz- bzw. Kühlvorrichtung bietet den Vorteil, dass unabhängig von der Umgebungstemperatur das Medium, das sich im Volumen zwischen der ersten und der zweiten Wand befindet, auf einen definierten Wert temperiert werden kann, wodurch das Wärmerohr besonders gezielt steuerbar ist.
Zum Beispiel kann die Heizvorrichtung an der äußeren zweiten Wand des Wärmerohrs angebracht sein, wie zum Beispiel in Form eines Heiz- bzw. Kühlmantels. Die Temperatur des Heizmantels kann sowohl elektrisch steuerbar sein, es kann aber auch jede andere Vorrichtung verwendet werden, die geeignet ist, die äußere Wand auf eine vordefinierte Temperatur zu bringen. Ferner kann die zweite Wand aber auch doppelwandig ausgebildet sein, so dass sie mit einem Thermostatmedium befüllbar ist, das auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Heizvorrichtung auch in das Innere, also das Volumen zwischen der ersten Wand des Wärmerohrs und der die erste Wand umgebenden zweiten Wand eingebracht sein. Das Prinzip, das somit verwirklicht wird, ist dasjenige eines Tauchsieders. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das in dem Zwischenraum befindliche Medium direkt geheizt wird, was einen geringeren Energieverlust und damit eine Kosteneinsparung gegenüber einer Temperierung des Außenmantels nach sich zieht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Volumen zwischen der ersten Wand des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und der die erste Wand umgebenden zweiten Wand mit einem Thermostatmedium befüllbar. Das Thermostatmedium kann je nach Belieben ein Gas oder aber eine Flüssigkeit sein. Als Gas eignet sich unter anderem auch die Abluft eines Wärme abgebenden Bauteils, was, wie bereits ausgeführt, in energetischer Hinsicht und im Hinblick auf die entstehenden Kosten, günstig ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Zwischenraum zwischen einer ersten Wand des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und der mindestens einen Teil dieser ersten Wand umgebenden zweiten Wand mit einem Thermostatmedium gefüllt sein. Der Zwischenbereich stellt hier einen abgeschlossenen Bereich dar, der ein vordefiniertes Volumen an Thermostatmedium enthält. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass dieses System nahezu wartungsfrei operiert, da das Thermostatmedium nicht erneuert zu werden braucht. Dadurch können sowohl Kosten für die Wartung als auch für neues Füllmedium eingespart werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
1 zeigt ein Phasendiagramm eines potentiellen Arbeitsmediums
2 zeigt den schematischen Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmerohrs
1 zeigt ein Phasendiagramm eines potentiellen Arbeitsmediums eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs. Das Wärmerohr operiert auf einem Druckniveau p₁. Nimmt nun das Arbeitsmedium, das sich auf der Temperatur T₁ befindet, Energie in Form von Wärme z. B. von einem zu kühlenden Bauteil, auf, so erhöht sich die Temperatur des Arbeitsmediums von T₁ auf T₂. Agiert das System nun bei konstantem Druck p₁, so verdampft das Arbeitsmedium durch diese Energieaufnahme in Form von Wärme. Für den Verdampfungsschritt ist unter gegebenen Druck- und Volumenverhältnissen eine bestimmte Energiemenge notwendig. Das nun gasförmige Arbeitsmedium diffundiert anschließend durch den isothermen Bereich des Wärmerohrs hin zur Kondensationszone und kondensiert dort unter Abgabe von Energie an eine externe Wärmeaufnahmequelle o. ä. Wird nun der Druck auf das Arbeitsmedium erfindungsgemäß erhöht, nämlich durch Einstülpung des elastischen Teils der Wand des Wärmerohrs in den Innenraum des Wärmerohrs, so kann der Phasenübergang flüssig → gasförmig des Arbeitsmediums dann nicht mehr stattfinden, wenn der Druck soweit erhöht wird, dass er oberhalb der Kondensationskurve in dem betreffenden Phasendiagramm des Arbeitsmediums liegt, wie in 1 zum Beispiel bei p₂.
Das Arbeitsmedium ist unter Druck nicht fähig, die Energie in Form von Wärmeenergie, die von der Wärmequelle, also z. B. dem zu kühlenden Bauteil, abgegeben wird, abzutransportieren, da die Verdampfung des Arbeitsmediums bei erhöhtem Druck nicht möglich ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Wärmetransportfähigkeit im Fall der Druckerhöhung (wie bereits ausgeführt oder aber auch mechanisch, zum Beispiel mittels eines Stempels, mittels Druckluft oder dergleichen) des Systems gezielt erniedrigt werden kann. Je nach Grad der Einstülpung des elastischen Teils der Wandung des Wärmerohrs, fällt die Druckerhöhung auf das Arbeitsmedium im Inneren des Wärmerohrs größer oder weniger groß aus. Je größer der Druck auf das Arbeitsmedium im Inneren des Wärmerohrs, desto später, also bei höherer Temperatur, verdampft das Arbeitsmedium unter Aufnahme von Energie und desto niedriger ist die Wärmetransportleistung desselben.
Solange das Arbeitsmedium nach Aufnahme von Energie seinen Aggregatszustand nicht ändert, findet auch kein Energieabtransport durch das Arbeitsmedium in Richtung der Kondensationszone statt, da das flüssige Arbeitsmedium nicht durch den isothermen Bereich des Wärmerohrs in Richtung der Kondensationszone transportiert wird bzw. diffundiert. Dadurch ist es möglich einerseits die Wärmeübertragungsleistung des Wärmerohrs gezielt zu steuern und andererseits aber auch den Wärmetransport auf Temperaturniveaus zu begrenzen, in denen er gewünscht ist. So ist es mittels des erfindungsgemäßen Wärmerohrs ferner möglich die Temperatur einer angrenzenden Wärmequelle, also zum Beispiel eines Bauteils, auf einer konstanten Temperatur zu halten.
2 zeigt den schematischen Aufbau einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen druckgesteuerten Wärmerohrs. Das Wärmerohr gemäß dieser Ausführungsform umfasst demnach eine erste Wand 1 und eine, die erste Wand umgebende zweite Wand 2, so dass zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand ein Hohlraum in Form eines definierten Volumens besteht. Die erste Wand ist hier komplett aus elastischem Material gebildet. Diese Ausführungsform ist dann bevorzugt, wenn ein gleichmäßiger Druck auf das gesamte Wärmerohr ausgeübt werden soll.
In das Volumen, also den Zwischenraum zwischen der ersten Wand 1 und der zweiten Wand 2, kann zum Beispiel ein Gas, wie Luft, oder eine Flüssigkeit eingebracht werden, über die die Druckaufbringung auf den elastischen Teil der ersten Wand 1 steuerbar ist.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0212473 B1 [0007]

Claims

Druckgesteuertes Wärmerohr umfassend eine erste Wand, innerhalb der ein hermetisch abgekapselter Raum gebildet ist, in dem eine Verdampfungszone, eine Kondensationszone, ein Arbeitsmedium und ein System zur Rückführung von in der Kondensationszone kondensiertem Arbeitsmedium in die Verdampfungszone vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten Wand aus elastischem Material besteht wobei der elastische Teil der ersten Wand in den Innenraum des Wärmerohres einstülpbar ist, so dass eine Druckänderung im Innenraum des Wärmerohres erzeugbar ist.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Wand, die aus einem starren Material besteht und zumindest einen Teil, des aus elastischem Material bestehenden Teils der ersten Wand umfasst.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr eine Heizvorrichtung zur Beheizung oder Kühlung der zweiten Wand enthält.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr eine Heizvorrichtung enthält, die das Volumen zwischen der zweiten Wand und der ersten Wand erwärmen oder kühlen kann.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen zwischen der zweiten Wand und der ersten Wand ein Thermostatmedium enthält.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatmedium ein Gas ist.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatmedium eine Flüssigkeit ist.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen zwischen der zweiten Wand und der ersten Wand mit einem extern bereitgestellten Thermostatmedium befüllbar ist.
Druckgesteuertes Wärmerohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatmedium temperiert ist.
Verwendung eines druckgesteuerten Wärmerohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erwärmung oder Kühlung von Bauteilen und Geräten.
Verwendung eines druckgesteuerten Wärmerohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Steuerung der Wärmeübertragung von Wärme- bzw. Kältespeichern.
Verwendung eines druckgesteuerten Wärmerohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Thermostat.
Verfahren zur Steuerung von Wärmeübertragung in einem druckgesteuerten Wärmerohr gekennzeichnet durch Aufbringen von Druck auf mindestens einen elastischen Teil einer ersten Wand des Wärmerohrs.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Schritte: – Befüllen eines Volumens zwischen dem elastischen Teil der ersten Wand des druckgesteuerten Wärmerohres und einer diesen umgebenden starren zweiten Wand mit einem Thermostatmedium und – Zuführung von Wärme oder Kälte zu dem Thermostatmedium.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass der Druck mechanisch auf mindestens den elastischen Teil der ersten Wand des Wärmerohres aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass der Druck mittels Druckluft auf mindestens den elastischen Teil der ersten Wand des Wärmerohres aufgebracht wird.