Heat Pipe
Heatpipes bzw. Wärmerohre und deren spezielle Bauformen sind in der Lage, Wärme sehr effizient von einem Ort zum anderen zu transportieren. Sie nutzen die Verdampfungswärme eines bestimmten Mediums, um im Inneren einen Wärmestrom zu erzeugen. Durch Kapillarwirkung oder Schwerkraft werden Hilfsmittel wie Umwälzpumpen hinfällig, wodurch diese Art von Thermomanagement, auch wegen der hohen Einsatztemperaturen von bis zu 3.000K, für weitläufige Bereiche geeignet ist. So finden sich Heat Pipes zum Beispiel in Satelliten, Sonnenkollektoren, Rechnern, in Schienensystemen zur Beheizung von Weichen sowie in Smartphones und Elektrogeräten wieder.
Funktionsprinzip
Im Inneren von Heat Pipes befindet sich eine Kapillarstruktur, die einen Flüssigkeitstransport ohne zusätzliche Hilfsenergie auch gegen die Schwerkraft gewährleisten kann. Dies ermöglicht der Heat Pipe, auch Wärme entgegen der Schwerkraft und in der horizontalen zu übertragen, da der Kreislauf durch die Kapillarstruktur in allen Lagen erhalten bleibt. Zudem lassen sich Heat Pipes biegen, und damit optimal für den Anwendungszweck anpassen.
Loop Heat Pipes besitzen nur im Verdampfer eine Kapillarstruktur. Im Kreislauf selbst werden Dampf und Flüssigkeitsphase getrennt. Dadurch lassen sich Distanzen von bis zu 10 Metern zwischen Verdampfer und Kondensator realisieren. Eine Loop Heat Pipe ist unempfindlich gegen Vibrationen, flexibel installierbar, benötigt für ihre Funktion keine Schwerkraft und kann sogar in multi-g-Umgebungen eingesetzt werden.
Vapor Chambers nutzen das Prinzip einer Heat Pipe. Durch ihre flache, meist nur wenige Millimeter dünne Bauweise werden sie in der Regel dazu genutzt, Wärme von einer kleinen Fläche aufzunehmen und diese auf eine größere zu verteilen. Im Inneren befinden sich unter Vakuum ein Arbeitsmedium sowie eine Dochtstruktur. Letztere verteilt die Flüssigkeit vom heißen Bereich in kühlere Areale der Kammer. Je nach Anwendungsfall wird die Wärme entweder direkt auf den darauf sitzenden Kühlkörper weiter- oder per Heat Pipe abgeleitet.
Bei allen Formen von Heat Pipes sollte die Wahl des Arbeitsmittels adäquat zur Temperatur verlaufen. Ist dies nicht der Fall, ist die Wärmeleitfähigkeit auf jene des Materials beschränkt, der Wärmetransport ist nicht mehr gewährleistet. Durch verschiedene Arbeitsmedien, Materialien und Größen lässt sich jedoch sicherstellen, dass Heat Pipes in einem breit abgedeckten Temperaturbereich ihren Dienst verrichten können.
Regeln zum Thema Heat-Pipes
- Die Heat Pipe ist ein geschlossenes System, in dem an einer beliebigen Stelle bei Wärmezufuhr Flüssigkeit verdampft (Wärmequelle) und am kühleren Ende kondensiert. Der Flüssigkeitsdampf bildet das eigentliche Transportmedium.
- Die Temperaturverteilung innerhalb des Systems ist vergleichsweise gering. Der Temperaturgradient wird näherungsweise durch den thermischen Widerstand der Heat Pipe bestimmt.
- Mit Heat Pipes lässt sich Wärme schnell und effizient vom warmen zum kälteren Ort transportieren. Verglichen mit reinem Kupfer ermöglichen Wärmerohre eine 100- bis 10.000-fache Wärmeübertragungsleistung.
- Mit Hilfe von Heat Pipes lassen sich homogen temperierte Arbeitsräume und -flächen realisieren.
- Die Wärmeübergänge zwischen Wärmequelle, Heat Pipe und Kühlsystem sind für die volle Leistung entscheidend.
- Aus diesem Grund ist es notwendig, die Anschluss- und Übergangsstellen zu optimieren, oder Heat Pipe-Systeme mit bereits integrierten Anschlussflächen zu nutzen.
- Der Wärmetransportvorgang kann nur gewährleistet sein, wenn die Heat Pipe im Rahmen ihres Leistungsund Temperaturbereichs betrieben wird.
- Auch bei Kapillar-Heat Pipes hat die Einbaulage Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Bauteils. Sie ist jedoch geringer als bei anderen Typen.
- Bei nicht-kapillaren Varianten reduziert sich bei Annäherung an die Horizontallage der Wirkungsgrad.
- Durch zu kleine Biegeradien kann das Innenleben von Heat Pipes beschädigt werden, zu große Winkel können die Funktion bis zur Wirkungslosigkeit beeinträchtigen.
Einbau von Heat-Pipes
Heat Pipes in technischen Anwendungen können auf mehrere Arten integriert werden. Die einfachste aber zugleich schlechteste Möglichkeit stellt die Montage in einer Bohrung dar. Eine Entlüftungsbohrung sowie Wärmeleitpaste oder -kleber sind in diesem Fall notwendig. Zusätzlich müssen die Toleranzmaße beachtet werden.
Als weitere Möglichkeit kann eine Heat Pipe in eine Nut gepresst werden, wodurch ein D-Querschnitt (Rundung mit flacher Oberkante) erreicht wird. Das sorgt für ebene und damit einhergehende leistungsfähige Kontaktflächen. Zudem kann die Installation in zwei symmetrische Halbschalen erfolgen. Eine Verlötung stellt die thermisch beste Option dar. Jedoch ist hier eine kontinuierliche Temperaturüberwachung nötig. Bei Quick-Ohm werden Heat Pipes mit Kühlfinnen und Montageteilen verlötet.
Wärmetransportleistung und Grenzen von Heat Pipes
Die Leistung von Heat Pipes wird maßgebend durch eine Reihe von Faktoren bestimmt, und betrifft sowohl das Arbeitsmedium als auch das Material der Heat Pipe.
Leistungsbeeinflussende Größen, Arbeitsmedium
- Die Verdampfungsenthalpie eines Arbeitsmediums definiert die notwendige Energie, um eine bestimmte Menge an Flüssigkeit bei bestimmter Temperatur zu verdampfen. Im Gegenteil dazu gibt die Kondensationsenthalpie an, wie viel Energie freigesetzt wird, wenn das Gas bei einer bestimmten Temperatur kondensiert.
- Der Schmelzpunkt bezeichnet die Temperatur, bei welcher ein Stoff in den flüssigen Zustand übergeht.
- Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit beeinflusst zusammen mit dem Radius des Rohrs die Kapillarkräfte. Vorteilhaft sind hier Kapillarstrukturen mit kleineren Radien, beziehungsweise geringerer Maschenweite oder Korngröße. Letzteres betrifft ausschließlich Sinter-Heat Pipes.
- Die Viskositätsgrenze bestimmt das Ausmaß der Kondensatströmung innerhalb der Heat Pipe und begrenzt die Wärmestromdichte in der Regel bei niedrigen Arbeitstemperaturen.
- Die Druckfestigkeit eines Wärmerohrs erhöht zugleich den darin möglichen Dampfdruck des Arbeitsmediums. So kann zum Beispiel Wasser Temperaturen von bis zu 374 Grad Celsius erreichen, führt damit aber zu einem Druck von 210 bar.
- Ebenso ist die Dichte des Arbeitsmediums für die Leistung einer Heat Pipe verantwortlich. Je nach Stoff muss hier eine bestimmte Kapillargröße genutzt werden, um einen Kreislauf zu ermöglichen.