HEAT PIPE PROFILE

Abstract: 1. A tube (5, 15) for carrying a heating medium, intended for incorporation in a honeycomb sandwich plate (1, 11) which has tubes with axes running parallel to the plane thereof, the tube having a rectangular outer contour, characterised in that the tube has a passage (6, 16) which is optimised with respect to the amount of heat to be transferred, preferably with a square external shape, and a hollow member (7, 17) adjacent thereto in a direction perpendicular to the plane of the plate and in heat conductive association therewith, the longer side of the outer contour of the tube corresponding to the thickness of the sandwich plate.

Description: Wärmerohrprofil Die Erfindung betrifft ein Wärmerohrprofil, das insbesondere zur Integration in Honigwaben-Sandwich-Strukturen geeignet ist und die Ausführung eines Wär merohrs selbst. Wärmerohre oder "heat pipes" zum Transport von Warmeleistung sind insbesondere im Zusammenhang mit dem Satellitenbau bekannt geworden. Die Aufgabe dieser Wärmerohre ist es normalerweise, unerwünschte aber gleichzeitig unvermeidbare Wärmeleistung vom Ort ihrer Entstehung abzuführen und an anderer Stelle gege benenfalls zu vernichten. Die Wirkungsweise dieser Wärmerohre beruht darauf, dass in einer Heizzone,die in unmittelbarer Verbindung mit einer Wärmequelle steht, eine in dem Wärmerohr enthaltene Flüssigkeit verdampft wird, so dass die Verdampfungswärme mit dem Dampf vom Ort der Entstehung in dem Wärmerohr abgeführt wird. Kondensiert dieser Dampf in einer anderen Zone dieses Roh res, so wird die Latentwärme an dieser Stelle an die Rohrwandung abgegeben, von wo sie gegebenenfalls, beispielsweise in Form von Wärmestrahlung, abge führt werden kann. Gleichzeitig wird in diesen Warmerohren die durch die Kondensation entstehende Flüssigkeit durch Kapillarkräfte wieder in den Be reich der Heizzone zurückgeführt. Aus diesem Grunde ist die Innenwand die ser Heizrohre mit derartigen Kapillaren versehen. Im Prinzip wirken also diese Wärmerohre wie eine normale Kühleinrichtung, allerdings ohne dass in dem Kühlkreislauf eine zusätzliche Kraftquelle erforderlich wäre. Letztenendes hängt die Wirksamkeit eines solchen Wärmerohrs von der geeigneten Ausbildung der Kapillarstruktur an der Innenwand des Wärmerohres ab. Dementsprechend ist es aber möglich, ein solches Wärmerohr in ziemlich weiten Grenzen dem jeweiligen Transportproblem anzupassen und es durch geeignete Wahl seines Durchmessers und der Kapillarengrösse zu optimieren. Gleichzeitig ist damit allerdings auch im allgemeinen der Aussendurchmesser eines solchen Wärmerohres vorgegeben. Wegen der einfachen Wirkungsweise dieser Wärmerohre ist ihre Verwendung im Satellitenbau, bei dem es bekanntlich vor allen Dingen auf Gewichtseinsparungen ankommt, vorangetrieben worden. Sie dienen gerade im Satellitenbau dazu, die beim Betrieb von Instrumenten entstehende Abwärme vom Ort ihrer Entstehung, d.h. also von den als Wärmequellen wirkenden Instrumenten, abzuführen und vorzugsweise auf Flächen zu übertragen, die diese unerwünschte Wärmeleistung in Form von Warmestrahlung abgeben können. Es liegt daher nahe, diese Wärmerohre als integrierte Bestandteile in die üblicherweise verwendeten Strukturen, und das sind in vielen Fällen Sandwichplatten, einzubauen. Aus Festigkeitsgründen weisen jedoch diese Sandwichplatten besonders dann, wenn sie gleichzeitig als Träger der Instrumente dienen, bestimmte Mindestdicken auf. Diese Mindestdicken sind aber im allgemeinen grösser als die optimalen Durchmesser der Wärmerohre. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für derartige Wärmerohre ein Wärmerohrprofil anzugeben, das in jedem Einzelfall die Verwendung als Bauelement von Sandwichplatten ermöglicht. Eine weitere Aufgabe wird darin gesehen, ein Wärmerohr anzugeben, dessen Wärmetransportfahigkeit möglichst gross ist. Erfindungsgemäss ist ein Wärmerohrprofil insbesondere zur Integration in Honigwaben-Sandwich-Strukturen dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr profil einen rechteckigen Aussenquerschnitt aufweist, dessen kürzere Seite dem Aussendurchmesser eines hinsichtlich der zu übertragenden Wärmeleistung optimierten Wärmerohres vorzugsweise mit quadratischem Querschnitt entspricht und dessen längere Seite gleich der Summe aus der kurzeren Seite und der zweiten Seite eine s mit dem Wärmerohr verbundenen Hohlprofils von rechteckigem Querschnitt ist. Weitere vorzugsweise Ausbildungen des erfindungsgemässen Wärmerohrprofils sind in den vorstehenden Anspruchen 1 bis 5 angegeben. Das Wärmerohr selbst, das insbesondere zusammen mit einem Wärmerohrprofil der vorstehend angegebenen Art zu verwenden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass es in axialer Richtung Zonen unterschiedlichen Kapillarendurchmessers, beispielsweise in Form unterschiedlicher Rillenbreiten, aufweist. Dabei ist das Rohr in axialer Richtung in drei Zonen unterteilt, in denen die an der Innenwand angebrachten Kapillaren unterschiedliche Durchmesser aufweisen, die jedoch in Langsrichtung des Warmerohrs miteinander in Verbindung stehen. Insbesondere im mittleren TeiL der sogenannten Transportzone, ist dabei eine Rillenbreite vorgesehen, die an sich nicht mehr die erforderliche Kapillarwirkung aufweist, wofür jedoch in diesem Bereich die Rillen durch eine vorzugsweise perforierte Metallfolie abgedeckt sind. Das Wärmerohrprofil nach der Erfindung weist den Vorteil auf, dass die durch den Betrieb von Instrumenten entstehende unerwünschte Wärme im Inneren eines Satelliten nicht nur durch die übliche Wirkung eines Wärmerohres vom Ort der Entstehung in axiale Richtung des Wärmerohres abgeführt wird, sondern zusätzlich auch durch Wärmeleitung über die gesamte Lange des Warmerohres hin auf die aussere Abdeckung der Sandwichplatte übertragen wird, die diese Wärme dann in Form von Wärmestrahlung an den Raum abgibt. Dabei lässt sich sowohl das Wärmerohr selbst durch die in den Anspruchen 5 bis 9 angegebenen Massnahmen als auch die Wärmeabgabe durch Wärmeleitung durch geeignete Wahl der Wandstarke des mit dem Warmerohr selbst verbundenen Hohlprofils optimieren. In den beigefügten Zeichnungen sind Beispiele für Warmerohrprofile nach der Erfindung bzw. die Ausgestaltung eines Warmerohres selbst dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Sandwichplatte mit integriertem Wärmerohr profil, Fig. 2 eine Abwandlung des Wärmerohrprofils in der Sandwichplatte, Fig. 3 schematisch ein erfindungsgemässes Wärmerohr sowie die Fig. 4a bis c die Ausgestaltung der Innenseite eines Wärmerohres nach der Erfindung. In der Sandwichplatte 1 mit der inneren Deckplatte 2 und der äusseren Deckpla te 3 sowie der zwischen diesen Deckplatten. befindlichen Wabenstruktur 4 ist das Wärmerohrprofil 5 als integrierter Bestandteil enthalten. Dieses Wärmerohrprofil 5 besteht aus dem eigentlichen Wärmerohr 6, das einen quadratischen Aussenquerschnitt aufweist und dem mit dem Wärmerohr 6 verbundenen rechteckigen Hohlprofil 7, das das Wärmerohr 6 so weit ergänzt, dass die längere Seite des rechteckigen Wärmerohrprofilquerschnitts 5 der Dicke der Sandwichplatte 1 entspricht. Die Seitenwand 8 des Hohlprofils 7 ist hinsicht lich seiner Dicke so bemessen, dass die erforderliche Wärmeleitfähigkeit erreicht wird. In der Fig. 2 ist eine Abwandlung des Wärmerohrprofils nach der Fig. 1 dargestellt, wobei die Änderung im wesentlichen darin besteht, dass seitlich des Wärmerohrs 16 Verstärkungsleisten 19 bzw. 20 angebracht sind, deren Aufgabe es ist, die von der nicht dargestellten Wärmequelle herkommende Wärme, deren Ausdehnung etwa der Gesamtbreite des Hohlprofils 17 entspricht, zusätzlich auch den Seiten des Wärmerohrs 16 zuzuführen und damit eine bessere Wärme übertragung zu gewährleisten. Diese Verstärkungsleisten 19 bzw. 20 können zu mindest teilweise als Hohlprofile ausgebildet sein. Massgebend dafür ist die Optimierung hinsichtlich der Wärmeleitung durch diese Verstärkungsleisten einerseits und ihrem Gewicht andererseits. In der Fig. 3 ist ein Wärmerohr 31 schematisch dargestellt, das in eine Heizzone 32, eine Transportzone 33 und eine Kühlzone 34 unterteilt ist. Dabei ist als Heizzone der Bereich des Wärmerohrs bezeichnet, dem die Wärme unmittelbar von der Wärmequelle her zugeführt wird und in dem die in dem Wärmerohr enthaltene Flüssigkeit verdampft wird. Andererseits ist die Kühlzone der Bereich des Wärmerohrs, in dem die in dem Dampf enthaltene latente Verdampfungswärme durch Kondensation des Dampfes an die Wärmerohrwand und von dieser nach aussen abgegeben wird. Zwischen diesen beiden Zonen der Heiz zone 32 und der Kühlzone 34 befindet sich die Transportzone 33, in derem Inneren einerseits die verdampfte Flüssigkeit von der Heizzone zur Kuhl- zone hin die latente Verdampfungswärme transportiert und an deren Innenwänden entlang die kondensierte Flüssigkeit von der Kühlzone 34 wieder in die Heizzone 32 zurücktransportiert wird. In den Fig. 4a bis 4c sind Schnitte durch diese drei Zonen 32, 33 und 34 dargestellt, und zwar zeigt die Fig. 4a einen Schnitt durch die Heizzone 32 mit der Rohrwand 41, den Stegen 42 und den von diesen Stegen und der Rohrwand gebildeten Rillen 43, wo die Flüssigkeit durch Zuführung von Wärme verdampft wird. Die Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch die Kühlzone 34 mit der Rohrwand 45, den Stegen 46 und den Rillen 47, wo die verdampfte Flüsigkeit wieder kondensiert und damit die Verdampfungswärme abgibt. Prinzipiell könnte in diesem Bereich die Zahl der Stege und Rillen der Zahl der Stege und Rillen in der Heizungszone entspre chen, weil damit die Wärmeabgabe verbessert werden konnte. Allerdings ist eine Verringerung der Anzahl der Stege und Rillen zweckmässig wegen der Kapillarkräfte, um die Druckverhältnisse in dem Wärmerohr zu verbessern. In der Fig. 4c ist schliesslich ein Schnitt durch die Transportzone 33 mit der Rohrwand 50, den Stegen 51, den Rillen 52 und der Abdeckfolie 53 dargestellt. In dieser Transportzone ist die Rillenbreite so gross, dass eine Abdeckung dieser Rillen durch eine Folie erforderlich wird, weil die Kapillarkräfte allein nicht ausreichen würden, um die Flüssigkeit in den Rillen zu halten und zur Heizzone 32 zurückzutransportieren. Die Abdeckfolie 53 ist zweckmässig perforiert, um Kondensations- und Verdampfungsvorgange während der Anfahrphase des Wärmerohres und bei Änderungen der Betriebstemperaturen zu erlauben. Die drei Zonen des Wärmerohres können getrennt voneinander hergestellt und anschliessend miteinander verschweisst werden. Die perforierte Abdeckfolie wird dabei vor dem Verschweissen der drei Teile des Wärmerohres mit einem geeigneten Schweissverfahren auf die Stege aufge bracht. Es ist natürlich auch möglich, die Folie und Rillenstege für sich herzustellen und in ein glattes Rohr einzuschieben, wo sie dann in geeigneter Form mit diesem Rohr verschweisst werden.

Claims: Patentansprüche 1. Wärmerohrprofil, insbesondere zur Integration in Honigwaben-Sandwich-Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme rohrprofil (5, 15) einen rechteckigen Aussenquerschnitt aufweist, dessen kür zere Seite dem Aussendurchmesser eines hinsichtlich der zu übertragenden Wär meleistung optimierten Wärmerohres (6, 16),vorzugsweise mit quadratischem Querschnitt, entspricht und dessen längere Seite gleich der Summe aus der kürzeren Seite und der zweiten Seite eines mit dem Wärmerohr (6, 16) verbun denen Hohlprofils (7, 17) von rechteckigem Querschnitt ist. 2. Wärmerohrprofil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die längere Seite des rechteckigen Querschnitts der Dicke ei ner Sandwichplatte (1, 11) entspricht, in die das Wärmerohrprofil (5, 15) in tegrierbar ist. 3. Wärmerohrprofil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohrprofil (15) im Bereich der Wärmequellen, deren Wärme mittels des Wärmerohrs abzuleiten ist, beiderseits des Wärmerohrs (16) Verstärkungsleisten (19, 20) aufweist, deren Tiefe dem Durchmesser des hinsichtlich der abzuführenden Leistung optimierten Wärmerohrs (16) entspricht und deren Breite der Ausdehnung der Wärmequelle angepasst ist. 4. Wärmeprofil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsleisten (19, 20) zumindest teilweise als Hohlprofile ausgebildet sind. 5. Wärmerohrprofil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Seitenwand (8, 18) des mit dem Wärmerohr (6, 16) verbundenen Hohlprofils (7, 17) hinsichtlich seiner Dicke und seiner Form bezüglich seiner Wermeleitung und seines Gewichtes optimiert ist. 6. Wärmerohr, insbesondere nach einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in axialer Richtung Zonen (32, 33, 34) unterschiedlichen Kapillarendurchmessers - beispielsweise in Form unterschiedlicher Rillenbreiten - aufweist. 7. Wärmerohr nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kapillaren in der Heizzone (32) den geringsten, in der Transportzone (33) zwischen Heiz- und Kühlzone (34) den grössten Durch messer bzw. Rillenbreite aufweisen. 8. Wärmerohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenbreite t52) in der Transportzone (33) grösser ist als zur Erhaltung der Kapillarwirkung zulässig und dass die Rillen (52) mit einer Folie (53) abgedeckt sind. 9. Wärmerohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (53) eine perforierte Metallfolie ist, die auf die Stege (51) zwischen den Rillen (52) aufgeschweisst ist. lo. Wärmerohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenradius der perforierten Metallfolie (53) kleiner ist als die Rillenbreite der Heizzone (32

Inventors: SCHLITT, REINHARD, DR.
Applicants: ERNO RAUMFAHRTTECHNIK GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1980
Main classification: B64G1
IPC codes: B64G1, F28D15