Elektrisch isoliertes Wärmerohr mit Teilbereichen aus Glas

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerohr und ins ^¬ besondere ein Heatpipe mit integrierten Kapillaren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Prinzipiell ist ein Wärmerohr ein Wärmeüberträger, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, das heißt auf kleiner Querschnittsfläche große Mengen von Wärme transportieren kann. Der Wärmewiderstand eines solchen Wärmerohrs ist deutlich kleiner als der eines massiven Metallstabs. Das Verhalten des Wärmerohrs kommt daher einer isothermen Zu- standsänderung gleich. Insofern sind bei gleicher Übertragungsleistung Wärmerohre wesentlich leichter als her- kömmliche Wärmeüberträger unter gleichen Einsatzbedingungen .

In der Regel werden Wärmerohre in Heatpipes sowie Thermo- syphons unterteilt. Als Thermosyphon bezeichnet man ein Schwerkraft getriebenes Wärmerohr (auch Gravitationswär- merohr bezeichnet) , bei welchem ein Arbeitsmedium aufgrund der Schwerkraft in Zirkulation gehalten wird. Demzufolge wird ein Arbeitsmedium in einem Verdampferab ^¬ schnitt verdampft, steigt zu einem Kondensatorabschnitt des Wärmerohrs auf, kondensiert dort und fließt anschlie- ßend selbstständig in den Verdampfer schwerkraftsbedingt zurück . Eine Heatpipe stellt eine Art Wärmerohr dar, innerhalb dessen das Arbeitsmedium mit Kapillaren nach dem Dochtprinzip (sogenannte Wiek-Struktur) zum Verdampfer zurück- geführt wird. Das kondensierte Fluid fließt daher lageu ^¬ nabhängig in der Kapillare zurück zum Verdampfer. Heatpipes arbeiten daher auch unter Schwerelosigkeit, gegebe ^¬ nenfalls auch entgegen der Schwerkraft. Sie neigen im Vergleich zu dem vorstehend genannten Thermosyphon weni- ger zum Austrocknen, da der Flüssigkeitsstrom durch die Dochtstruktur maßgeblich verbessert wird, was darüber hinaus zu einer höheren übertragbaren Leistung führt.

Der Docht sorgt außerdem dafür, dass die Wärme überall zu- und abgeführt werden kann. Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik werden Heatpipes gemäß vorstehender Definition zur Kühlung in vielen Bereichen sowohl der Mikro- und Leistungselektro ^¬ nik, als auch der Optoelektronik zum thermischen Management eingesetzt. Im Allgemeinen bestehen eine Heatpipe sowie ihre innere Wiek-Struktur aus Kupfer oder Aluminium.

Falls eine Isolation spannungsführender Komponenten notwendig ist, müssen Heatpipes aus elektrisch isolierenden Materialien ausgebildet werden. Hierfür sind Heatpipes aus Keramik verfügbar, da die hohe Spannungsfestigkeit von Keramiken die Isolation mehrerer Kilovolt entlang der Heatpipe erlaubt. Die Anwendung solcher Heatpipes ist je ^¬ doch bisher im Wesentlichen nur auf militärische Anwendungen beschränkt, weil sie sich nur schlecht an kompli- zierte geometrische Randbedingungen anpassen lassen und darüber hinaus verhältnismäßig teuer sind.

Bei Anwendungen, die eine elektrische Isolation im Kühlkreislauf erforderlich machen, wird daher im Allgemeinen auf Heatpipes der vorstehenden Gattung zur Wärmeableitung/Wärmeeinspeisung verzichtet. Statt dessen werden elektrisch isolierte Aufbauten mit Isolatoren eingesetzt, die jedoch zu einem erhöhten thermischen Widerstand führen und darüber hinaus nur wenig flexible geometrische Lösungen ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Angesichts dieser Problematik ist es die Aufgabe der vor ^¬ liegenden Erfindung, ein Heatpipe bereit zu stellen, welches vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist und darüber hinaus für den Einsatz an spannungsführenden Kom- ponenten geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Heatpipe mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht demzufolge darin, das einen Verdampferabschnitt sowie einen Kondensatorabschnitt aufwei- sende Heatpipe mit einem den Verdampfer- und Kondensatorabschnitt fluidverbindenden, elektrisch isolierenden Rohrabschnitt auszubilden, der mit der oder ohne die Kapil ^¬ larenstruktur versehen ist.

Vorteilhafterweise ist das elektrisch isolierende Rohr- element aus Glas, insbesondere Weichglas, Hartglas oder Quarzglas, gefertigt. Glas lässt sich auf einfache Weise in beliebige Formen gießen oder ziehen und weist darüber hinaus einen hohen elektrischen Widerstand auf. Glas ist daher besonders als elektrischer Widerstand geeignet. Des Weiteren ist nicht nur die Bearbeitung sondern auch die Bereitstellung von geeignetem Glas gegenüber Keramikmaterial vergleichsweise günstig und kann daher die Grundlage für den industriellen Einsatz von Wärmerohren der Heatpi- pe-Bauart auch in zivilen Bereichen bilden.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das elektrisch isolierende Rohrelement aus Keramik, insbesondere AI ₂ O ₃ , ZrÜ ₂ , A1N oder S1 ₃ N ₄ gefertigt. Neben herovr- ragenden Isoliereigenschaften kann Keramik insbesondere im Vergleich zu Glas vorteilhafte mechanische wie thermi ^¬ sche Eigenschaften aufweisen.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung besteht der Verdampfer- und Kondensatorabschnitt jeweils aus ei ^¬ nem stirn- bzw. endseitig verschlossenen Metallrohr, die jeweils an ihren anderen Stirnseiten an dem das Rohrelement aufweisenden oder aus dem Rohrelement vollständig aufgebauten Kapillarenabschnitt fluiddicht angeschlossen sind. Als Metall eignet sich dabei insbesondere Kupfer oder Aluminium mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit.

Vorteilhaft ist ferner, auch das Rohrelement mit einer Wiek-Struktur auszustatten, wobei diese bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildet ist. Vorteilhaft hierfür ist, dass die Wiek-Struktur innerhalb des Glasrohrele- ments aus Glas besteht und dabei weiter vorzugsweise aus einem angeschmolzenen Glaspulver gebildet wird und/oder beim Ziehen des Glasrohrelements mechanisch als Rillenstruktur eingearbeitet ist. Auf diese Weise wird die Funktionsfähigkeit des Heatpipe bezüglich des Förderns von kondensiertem Arbeitsmedium von dem Kondensatorabschnitt zum Verdampferabschnitt aufrechterhalten.

Als Arbeitsmedium können bevorzugt Medien mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit in der flüssigen und gasförmigen Phase (z.B. Fluorinert® oder deionisiertes Wasser) eingesetzt werden. Dies umfasst insbesondere, dass das Arbeitsmedium sowohl im flüssigen als auch gasförmigen Aggregatszustand elektrisch isolierend ist.

Für Anwendungen im Außenbereich können bevorzugt Arbeits- medien verwendet werden, die bis zu für den Einsatzzweck spezifizierten unteren Temperaturgrenzen (z.B. -40°C im Automobilbereich) flüssig sind. Eine solche Temperatur kann beispielsweise auch bei -50° C liegen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, die Wick- Struktur innerhalb des Glasrohrelements an die Wickstruk ^¬ turen im Verdampfer- und Kondensatorabschnitt anzupassen, sodass ein Übergang zwischen den Wick-Stukturen in den einzelnen Abschnitten sowie dem Glasrohrelement ohne Unterbrechung gewährleistet wird. Bevorzugt die sollen Wiek-Strukturen innerhalb des Verdampfer- und Kondensa ^¬ torabschnitts ebenfalls aus Glas, vorzugsweise aus einem angeschmolzenen Glaspulver bestehen. Diese Maßnahme bewirkt, dass die Kapillarwirkung der Wiek-Struktur über die gesamte Länge des Heatpipe unbeeinträchtigt bleibt. Es ist von Vorteil, wenn die Wiek-Struktur im Querschnitt zu einem Kreisring geformt ist, der im Inneren einen Dampfkanal ausbildet.

Das Wärmerohr kann einen geschlossenen Kreislauf ohne Kapillarenstruktur im Glasrohrbereich aufweisen und damit nur mit der Unterstützung der Gravitation als Thermosi- phon funktionieren. In diesem Fall können zur elektrischen Isolation mehrere Teilberei-che aus Glas eingefügt werden . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im übrigen Gegenstand der Unteransprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs ^¬ beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert werden. Diese Figuren zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Längsschnitt eines Heatpipe ge ^¬ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er ^¬ findung und

Fig. 2 den Querschnitt des erfindungsgemäßen Heatpipe durch das eingesetzte Glasrohrelement.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Gemäß der Fig. 1 besteht das erfindungsgemäße Heatpipe 1 aus einem axial mittig angeordneten Glasrohrelement 2, welches mit einer und ohne eine Kapillarenstruktur sein könnte. An beiden axialen Enden (Endabschnitten) des Glasrohrelements 2 ist dieses mit jeweils einem axial endseitig verschlossenen Metallrohr 4, 6 fluiddicht unter Ausbildung eines hermetisch abgeschlossenen Volumens innerhalb des Heatpipes 1 verbunden. Innerhalb des ganzen Heatpipes 1 ist eine Wiek-Struktur 8, 14, 16 eingearbei- tet bzw. ausgeformt, wie sie in der Fig. 2 im Querschnitt dargestellt ist. Die Wiek-Struktur 8 in dem Heatpipe- Abschnitt aus Glas 2 kann beispielsweise aus einem ange ^¬ schmolzenen Glaspulver bestehen bzw. kann beim Ziehen des Glasrohrelements 2 mechanisch als Rillenstruktur eingearbeitet sein. Hierbei bildet die Wiek-Struktur 8 gemäß der Fig. 2 die äußere Form eines Kreisrings (im Querschnitt) bzw. eine Hülse, in der ein Durchgangskanal 10 für das Führen des dampfförmigen Arbeitsmediums (17) ausgebildet ist. Eine analoge Wiek-Struktur 14, 16 ist ferner in den beidseits des Glasrohrelements anschließenden Metallroh ^¬ ren 4, 6 durchgehend eingebracht. Um hierbei die voll ^¬ ständige Funktionalität des Wieks sicherzustellen, darf die Wiek-Struktur 14, 16, 8 über die gesamte Länge des Heatpipe 1 keine Unterbrechung, insbesondere am Übergang vom Glasrohrelement 2 in die jeweiligen Metallrohrstücke 4, 6 aufweisen. Eine Möglichkeit ist es hierbei, die Wiek-Struktur 14, 16, 8 separat zu dem Glasrohrelement 2 zu fertigen, mit einer Länge, die der axialen Länge des gesamten Heatpipes 1 entspricht, also beidseits des Glas ^¬ rohrelements 2 in die Metallrohrstücke 4, 6 vorragt.

Entsprechend der Fig. 1 fungiert das dort gezeigte linke Metallrohr 4 als Verdampfer und das rechte Metallrohr 6 als ein Kondensator, das entsprechende Kühlrippen 12 auf- weist, um die Verlustwärme an die Umgebung (beispielswei ^¬ se Luft) abzugeben. Die Kühlrippen 12 können dabei an das Metallrohr 6 außenseitig unmittelbar angelötet sein oder wärmeleitfähig angeklebt werden. Denkbar ist hierfür auch der Einsatz von sogenannten Rippenrohren, bei welchen das Metallrohr 6 sowie die Kühlrippen 12 mechanisch ein Bauteil darstellt. Vorzugsweise sind hierbei beide Metallrohrstücke 4, 6 aus einem Kupfer- oder Aluminiummaterial gefertigt. Durch die elektrische Isolationsstrecke des Glasrohrelements 2 kann das linke, als Verdampfer wirkende Metallrohr 4 ein elektrische Potential von mehreren Kilovolt gegenüber dem rechten, als Verdampfer wirkenden Metallrohr 6 aufweisen, wobei die Isolations- und Teilentladungsfestigkeit durch das Glasrohrelement sichergestellt wird. Durch die leich ^¬ te Verarbeitbarkeit des Glasrohrelements 2 können dabei vielseitige geometrische Lösungen realisiert werden, die im Vergleich hierzu bei Keramikrohrelementen gemäß dem Stand der Technik nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich wären.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Heatpipe ent- spricht ferner im Wesentlichen jener eines aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Heatpipes und wird daher anhand der Fig. 1 nachfolgend lediglich prinzipiell beschrieben .

Das gemäß der Fig. 1 linke Metallrohr (Verdampferab- schnitt 4) kann erfindungsgemäß mit einem spannungsführen ^¬ den Bauteil in unmittelbarem Wärmekontakt stehen. Durch die von dem spannungsführenden Bauteil abgegebene Verlustwärme wird ein in der erfindungsgemäßen Heatpipe hermetisch abgeschlossenes Arbeitsmedium 17 über das wärme- leitfähige Metallrohr 4 verdampft, wodurch dem spannungs ^¬ führenden Bauteil Wärme entzogen wird. Das nunmehr dampfförmige Arbeitsmedium 17 gelangt daraufhin längs des aus ^¬ gebildeten Dampfkanals 10 durch das Glasrohrelement 2 in das gegenüberliegende Metallrohr 6 (Kondensatorab- schnitt) , an dessen Außenseite die Kühlrippen 12 angeord ^¬ net sind und welche von einem Kühlmedium, wie beispiels- weise Luft, umströmt wird. Das dampfförmige Arbeitsmedium 17 wird demzufolge abgekühlt und gibt bei Änderung seines Aggregatzustands in das flüssige Stadium Wärme an die Um ^¬ gebungsluft ab. Das nunmehr flüssige Arbeitsmedium wird schließlich über die Wiek-Struktur 14, 8, 16 in den beiden Metallrohrstücken 4, 6 sowie dem Glasrohrelement 2 vom Kondensatorabschnitt zurück zum Verdampferabschnitt durch die Kapillarwirkung geführt.

Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, wirkt das Glas- rohrelement 2 zusätzlich als elektrischer Isolator, der ein Durchschlagen eines elektrischen Stroms vom Verdampferabschnitt 4 auf den Kondensatorabschnitt 6 verhindert.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass obgleich das Glasrohrelement 2 gemäß der Fig. 1 als eine gerade Röhre dargestellt ist, dieses eine nahezu beliebige Form

(z. B. Schlangen- oder Spiralform) annehmen kann.

Des Weiteren ist gemäß der Fig. 1 der Kondensatorab ^¬ schnitt 6 von Luft umströmt. Alternativ hierzu kann der Kondensatorabschnitt 6 auch von einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser umgeben sowie geerdet sein.

Die Erfindung offenbart demzufolge grundsätzlich ein Heatpipe mit einem Verdampferabschnitt 4 sowie einem Kon ^¬ densatorabschnitt 6 (jeweils aus Metall), die über einen Glasrohrabschnitt 2 miteinander fluidverbunden sind (durch den inneren Dampfkanal 10 sowie die Wiek- bzw. Docht- Struktur 14, 8, 16) . Erfindungsgemäß sind die Verdampfer- 4 und Kondensatorabschnitte 6 (fluiddicht) am Glasrohrab ^¬ schnitt 2 beidseits (axiale Stirnseiten) angeschlossen.