Wärmerohr

Ein Wärmerohr (engl. heat pipe) ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, d. h. auf kleiner Querschnittsfläche können große Mengen Wärme transportiert werden. Beispielsweise kann die Verlustleistung eines Mikroprozessors in einem PC oder Notebook effektiv auf kleinstem Bauraum abgeführt werden. Zur Umwälzung des Transportmediums benötigen Wärmerohre keine zusätzliche Hilfsenergie wie z. B. eine Umwälzpumpe. Dadurch minimieren sich Wartungsaufwand und Betriebskosten.

Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist deutlich kleiner als der von Metallen. Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsänderung gleich (konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs). Bei gleicher Übertragungsleistung sind sie deswegen wesentlich leichter als herkömmliche Wärmeübertrager unter gleichen Einsatzbedingungen. Durch geschickte Wahl des Arbeitsmediums des Wärmerohrs können sie Einsatztemperaturen von wenigen Kelvin bis ca. 3000 Kelvin^[1] erzielen.^[2] Es wird zwischen zwei Arten von Wärmerohren unterschieden: Heatpipe und Zwei-Phasen-Thermosiphon. Die Funktionsweise und Auslegung sind dabei grundsätzlich ähnlich oder gleich. Deswegen werden die Wörter Heatpipe (eng. heat pipe) und Wärmerohr oft als Synonym verwendet, was technisch aber nicht grundsätzlich richtig sein muss.

Aufgeschnittenes Wärmerohr

Anwendung

Eine Kupfer-Wasser-Heatpipe an einem Kühler für Mikroprozessoren

Durch die flexible Gestaltung und Variabilität der Eigenschaften finden Wärmerohre heute in vielen Bereichen Anwendung. In der Öffentlichkeit wurden sie in den vergangenen Jahren durch den Einsatz in PCs und Notebooks verstärkt wahrgenommen. Die Bauhöhe von Notebooks konnte durch den Einsatz von Heatpipes deutlich reduziert werden, da die eigentlichen Abwärmekonvektoren an den Heatpipes direkt an den Außenflächen angebracht werden konnten. Durch die gesteigerte Wärmeübertragung wurde es möglich, auch leistungsstärkere Grafikprozessoren zu implementieren.

Herkömmliche Kühlkörper zur Kühlung von Mikroprozessoren basieren rein auf erzwungener Konvektion an Kühlrippen. Um hier einen möglichst guten Wärmeübergang zu erzielen, muss, wegen der begrenzenden Wärmeleitfähigkeit der Rippen, der Ventilator oder Lüfter möglichst nahe an den Rippen sitzen. Die erwärmte Luft strömt dadurch in Richtung Mainboard und erhöht dadurch die Oberflächentemperaturen der anliegenden Komponenten. Weiterhin ist die Wärmeabgabe sehr ungerichtet im Gehäuse. Dagegen sind Kühler, die Wärmerohre verwenden, nicht auf die örtliche Nähe angewiesen, weil sie funktionsbedingt eine Entkopplung von Wärmeaufnahme und -abgabe erlauben. Sie können daher gezielt Abwärme in den Luftstrom der Gehäuseventilatoren abgeben. Im Vergleich zur oft alternativ eingesetzten Wasserkühlung ist bei den Wärmerohren keine Umwälzpumpe nötig, welche zu zusätzlicher Lärmentwicklung führt.

Wesentlich früher, nämlich ab 1960, wurden Wärmerohre in der Raumfahrttechnik eingesetzt. Vor allem bei Satelliten ist es durch Einsatz von Heatpipes gelungen, den Temperaturgradienten zwischen sonnenzugewandter und -abgewandter Seite zu minimieren.^[3]

Alaskapipeline mit Heatpipes aus herkömmlichem Baustahl. Auf der Heatpipe sind die Kühlrippen zu erkennen.

Ab den 1970er Jahren werden Heatpipes benutzt, um den Permafrostboden unter der Trans-Alaska-Pipeline zu stabilisieren.^[4] Bei herkömmlichen Konstruktionen werden zwei Stahlpfähle in den Boden gesenkt, welche die Traglast der Pipeline aufnehmen. Im Bereich von Permafrostboden ist dies aber nicht möglich, weil durch Wärmeleitung von der Pipeline (70–80 °C) zu den Pfählen der Boden lokal auftaut. Dadurch würde sich die Pipeline unzulässig verformen. Bei ausreichend niedriger Lufttemperatur, welche zumeist im Bereich von Permafrostböden auftritt, ist es allerdings möglich, dieses Problem durch Heatpipes elegant zu umgehen. Die Wärme wird nicht in den Boden geleitet, sondern durch an den Heatpipes angebrachte Kühlrippen an die Umgebungsluft abgegeben. Weiterhin wird dadurch dem Permafrostboden Wärme entzogen und dieser stabilisiert sich.^[5] Siehe auch Trans-Alaska-Pipeline: Technik.

Diese Technik kommt auch bei der Lhasa-Bahn zur Stabilisierung des Bahndammes auf Permafrostboden zum Einsatz.

Die selbständige Zirkulation des Arbeitsmediums in Wärmerohren und damit das Wegfallen einer Hilfsenergie führt zur vermehrten Anwendung im Bereich der Erdwärmenutzung.^[6] Bei herkömmlichen Erdwärmesonden wird durch eine im Boden versenkte Leitungsschleife z. B. Wasser gepumpt und die gewonnene Erdwärme einer Wärmepumpe übergeben. Bei den Kohlenstoffdioxid-Sonden entfällt sowohl die doppelte Leitung als auch die Pumpenergie zur Umwälzung.

Auch in Bereichen, in denen man die Wärmerohr-Technologie nicht direkt vermutet, wie bei Vakuumröhrenkollektoren, werden sie heutzutage erfolgreich eingesetzt. Gleichfalls sind sie in Wärmerückgewinnungsanlagen bzw. einfachen Wärmeübertragern zu finden.

Hochtemperatur-Heatpipes werden bei der allothermen Biomassevergasung eingesetzt.^[7] Hier übertragen sie Wärme im Bereich von 850 °C nahezu verlustfrei. Durch ein ausgeklügeltes Konzept ist es mit den Wärmerohren möglich, feste Biomasse wie Hackschnitzel direkt in energiereiches Produktgas umzusetzen. Die Qualität des Gases ist dabei so gut, dass unter anderem die Verwendung in Brennstoffzellen in Frage kommt.^[8]

Übergeordnet sollte bei der Verwendung beachtet werden, dass es sich bei Wärmerohren um geschlossene Volumina handelt. Wärmeeintrag geht bei dieser Zustandsänderung (isochor) also direkt in den Druck ein. Es kann beim Überschreiten der zulässigen Temperatur zu einer Dampfexplosion führen. Das ist insbesondere bei der Weiterverarbeitung zu beachten, da hier Wärmerohre oft wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit mit dem eigentlichen Kühlkörper verlötet werden. Sehr viele Wärmerohre sind mit gesundheitschädlichen Stoffen befüllt, daher sollten Wärmerohre fachgerecht entsorgt und nicht geöffnet werden. Öffnen führt auch im Regelfall zum Verlust der Funktionsfähigkeit.

Nutzung von Heatpipes in Kraftfahrzeugen

Wenige Technologien sind mit solch großen Verlustleistungen verbunden wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Trotz ständiger Weiterentwicklung werden bis dato z. B. für einen modernen Ottomotor mechanische Wirkungsgrade von 30 % nur selten überschritten. Übrige Energien werden als Verluste abgeführt, zum großen Teil betrifft dies Wärmeverluste. Im Zeitalter der Energieeffizienz und CO₂-Einsparung ist es durchaus sinnvoll, Heatpipetechnologien im KFZ zu verwenden, um hiermit nicht nur störende Temperaturdifferenzen geschickter auszuregeln, sondern auch Wärme an Orte zu befördern, an denen sie sonst durch gesonderte Beheizung oder Kühlung mit zusätzlichem Energieverbrauch erschaffen werden müsste.^[9]

Steuerbare Heatpipes

Da Heatpipes, neben ihrem geringen Gewicht und kleinem Volumen, eine bis zu 1000-fach höhere Wärmeleitfähigkeit haben als z. B. ein Kupferstab, lässt sich auf einfache Weise Wärme in Fahrzeugen zielgerichtet transportieren. Einziges Manko wäre das Problem der Steuerbarkeit, also der Möglichkeit, die Wärmeleitfähigkeit nach Belieben zu variieren, einzuschalten oder abzuschalten. Zur Steuerbarkeit von Heatpipes eignen sich zwei Prinzipien:

Externe Wärmesteuerung von Heatpipes

Externe Steuerung zweier gekoppelter Heatpipes über einen verstellbaren Metallkörper.

Zwei Heatpipes, je eine entspringend an der Wärmequelle und an der Wärmesenke, verlaufen an ihren Enden in geringem Abstand parallel zueinander, ohne sich dabei zu berühren. Umgeben sind sie in diesem Bereich von einem Körper (Koppler) aus gut wärmeleitenden Material (Kupfer, Aluminium o. Ä.) mit zwei möglichst passgenau die Heatpipes führenden Bohrungen. Die Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems lässt sich leicht durch Hineinschieben oder Herausziehen des Kopplers einstellen, da die Berührungsfläche zwischen Heatpipes und Koppler linear von der Einschubtiefe abhängt. Die Kopplung mit externer Steuerung durch einen kleinen Motor kann dabei an einen gut zugänglichen Ort verlegt werden, sofern der (sehr geringe) zusätzliche Wärmewiderstand der längeren Heatpipes diesen Umweg erlaubt.

Interne Wärmesteuerung von Heatpipes

Interne Steuerung von Heatpipes über ein Ventil. Links angesteuert, rechts nicht angesteuert.

Auch der innere Wärmetransport in der Heatpipe selbst lässt sich steuern, und zwar mittels eines Ventils oder einer Drossel innerhalb der Heatpipe als Steuerelement. Eine drehbar gelagerte und von außen durch einen kleinen Motor gesteuerte Drossel kann sowohl Hin- als auch Rückfluss des wärmetransportierenden Mediums von der Wärmequelle zur Wärmesenke variieren. Alternativ erlaubt ein im Innern der Heatpipe befindliches kleines Magnetventil, realisiert durch eine magnetische Kugel mit Rückstellfeder, den Wärmestrom durch die Heatpipe weitgehend zu stoppen oder wieder freizugeben.

Die Drossel hat gegenüber dem Ventil den großen Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit stetig gesteuert werden kann, und zwar in Abhängigkeit vom Stellwinkel. Das Ventil hingegen erlaubt die Heatpipe nur an- oder abzuschalten, denn es lässt sich aufgrund der Steuerung über einen Elektromagneten nur öffnen oder schließen. Nachteilig an der Drosselklappe hingegen ist ihre nach außen zu führende Steuerwelle, durch welche hermetische Abgeschlossenheit nur schwierig zu erreichen ist. Besonders im KFZ kann dies zu unerwünscht kurzen Wartungsintervallen führen.

Anwendung steuerbarer Heatpipes im KFZ

Im KFZ lässt sich überschüssige Wärme mit Heatpipetechnologie an nahezu beliebige Stellen transportieren. Als Wärmequelle kommt vor allem der Abgasstrang des Verbrennungsmotors in Betracht. Hier steht schon unmittelbar nach Motorstart eine enorme Wärmeleistung zur Verfügung. (Die Abgastemperatur beträgt mehrere hundert °C.) Ebenfalls kann die Wärme auch von erhitzten Oberflächen im Interieur oder Exterieur, von der Leistungselektronik oder auch im Kühl- oder Klimakreislauf abgegriffen werden. Genutzt werden kann sie dann zur Innenraumklimatisierung, Sitzheizung, Kühlwasser- und Motorölerwärmung oder für ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperatur von Batterien. Überall hier ist die Steuerbarkeit der transportierten Wärme von großer Wichtigkeit, was alleine schon im Komfortbereich klar wird.^[10]

Heatpipes in der Weltraumtechnik

Querschnitt durch zwei mit Faserverbundmaterial durchsetzte Heatpipes. Links: Eingebettet in rillenartige Vertiefungen. Rechts: Direkte Einbindung

Häufig sind Heatpipes starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, was unmittelbar Volumenschwankungen des Materials mit sich bringt. Befindet sich die Heatpipe nun auf einem Werkstoff mit stark abweichendem Wärmeausdehnungskoeffizienten (kurz: WAK), so treten mechanische Spannungen auf, die zu Schäden an der Heatpipe oder ihren äußeren Wärmeübertragungsflächen führen können. Besonders problematisch ist dieser Sachverhalt wegen der enormen Temperaturschwankungen in der Weltraumtechnik. Die Temperaturdifferenz zwischen sonnenzugewandter zu sonnenabgewandter Seite eines Satelliten kann stellenweise 130 Kelvin betragen. Hier hat sich seit vielen Jahren Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) als Grundwerkstoff behauptet.

Heatpipes werden jedoch in erster Linie nicht aus CFK, sondern z. B. aus Aluminium hergestellt. Die Vorteile dieses Elementes liegen unter anderem in seinem geringen Gewicht, seiner guten Tauglichkeit zur Herstellung von Kapillarstrukturen, der optimalen Wärmeleitfähigkeit und seiner chemischen Resistenz gegenüber den meistverwendeten wärmeleitfähigen Medien. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien unterscheiden sich jedoch sehr stark: derjenige von CFK beträgt mit 1*10⁻⁶ K⁻¹ bis zu 3*10⁻⁶ K⁻¹ nur etwa 1/24 bis 1/8 dessen von Aluminium (24*10⁻⁶ K⁻¹). ^[11]

Eine mögliche Abhilfe schaffen Verbundmaterialien aus Aluminium und Faserverbundwerkstoff. Die Aluminiumheatpipe wird dabei auf verschiedene Arten mit Faserverbundmaterial kombiniert, welches einen sehr geringen oder gar negativen WAK aufweist. In der Praxis wird es entweder in Hohlräume oder rillenartige Vertiefungen eingebettet, um den Aluminiumblock als eine Art Käfig gewickelt, oder das Aluminium wird von diesem durchsetzt, also direkt eingebunden.

Durch diese Technik werden Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gesamtsystems von etwa 5*10⁻⁶ K⁻¹ erreicht (der WAK des Verbundmaterials wirkt dem des Aluminiums entgegen), was die Heatpipetechnologie auch für die Raumfahrt geeignet macht. ^[12]

Funktionsweise

Arbeitsprinzip eines Thermosiphons.

Wärmerohre enthalten grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen, meist in Form eines Rohres. Es ist mit einem Arbeitsmedium (z. B. Wasser) gefüllt, das das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren in dampfförmigem Zustand ausfüllt. Darin befinden sich je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke.

Bei Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung Kondensator, wo er wegen der niedrigeren Temperatur (Wärmesenke) kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt durch Schwerkraft (Thermosiphon) bzw. durch die Kapillarkraft (Heatpipe) wieder zurück zum Verdampfer.

Da sich Dampf und Flüssigkeit des Fluids im gleichen Raum aufhalten, befindet sich das System im Nassdampfgebiet. Das hat zur Folge, dass bei einem bestimmten Druck im Wärmerohr exakt eine bestimmte Temperatur vorliegt. Da die Druckunterschiede in Wärmerohren meist sehr gering sind (wenige Pascal), sind auch die Temperaturunterschiede sehr gering (wenige Kelvin), d. h. die sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator ist gering. Ein Wärmerohr besitzt daher einen sehr geringen Wärmewiderstand. Der Bereich zwischen Verdampfer und Kondensator ist praktisch isotherm.

Da der Wärmetransport indirekt über den stoffgebundenen Transport von latenter Wärme (Verdampfungs-/Kondensationswärme) stattfindet, beschränkt sich der Einsatzbereich eines Wärmerohrs auf den Bereich zwischen der Schmelztemperatur und der Temperatur des kritischen Punkts des Arbeitsfluids.

Physikalische Auslegung

Die Gleichungen zur Berechnung der übertragbaren Leistung eines Wärmerohrs enthalten meist Koeffizienten, die anhand von experimentell gewonnenen Daten zu wählen sind.^[13] Dabei sind die spezifischen Wärmerohreigenschaften wie die Art der Kapillarstruktur, die Art des Wärmeträgers, der verfügbare Dampfraum, die Betriebstemperatur, etc. ausschlaggebend. Mit hinreichend gut gewählten Gleichungen und Koeffizienten lässt sich der Fehler zwischen Modell und Experiment in einem eng begrenztem Raum halten. Anfängliche Schritte bei der Auslegung eines Wärmerohrs sind daher die Wahl der Bauart und das Aufstellen eines entsprechenden numerischen Wärmerohrmodells zur Simulation der übertragbaren Leistung.

Mittels experimenteller Überprüfung wird das erstellte Modell kalibriert bzw. werden die realen Grenzen ermittelt. Erreicht das getestete Wärmerohr nicht die geforderte Leistung, werden Änderungen (z. B. Änderung der Kapillarstruktur) mit dem Ziel einer Leistungserhöhung durchgeführt. Bei einem rein experimentellen Vorgehen ist dadurch eine nicht vorherbestimmbare Anzahl an Experimenten notwendig.

Für Wärmerohre kleiner und mittlerer Leistung (< 1 kW) sind die wesentlichen Gleichungen linear, bzw. lassen sich um einen Entwicklungspunkt linearisieren. Daher benutzt man zur Begrenzung des Auslegungsaufwands numerische Optimierungsmethoden (z. B. ^[14]). Solche Verfahren reduzieren die Anzahl der Experimente auf Kalibrierungstests.

Ein besonderes Augenmerk liegt bei der Auslegung auf den Betriebsgrenzen. Diese physikalischen Randbedingungen werden aus den Kennwerten des Wärmeträgers gewonnen. Eine genaue Kenntnis über den verwendeten Wärmeträger ist deswegen unabdingbar. Liegt der Betriebspunkt (Temperatur, Wärmestrom) innerhalb dieser Grenzen, ist ein Betrieb möglich.^[15]

Folgende Grenzen werden üblicherweise berücksichtigt:

Viskositätsgrenze

Sie begrenzt die Wärmestromdichte bei Arbeitstemperaturen knapp über dem Schmelzpunkt. Durch die Viskositätskräfte im Dampf wird die Strömung stark beeinträchtigt.^[15]

Schallgeschwindigkeitsgrenze

Die Wärmestromdichte kann nur so weit gesteigert werden, bis der durch den Druckunterschied entstehende Dampfstrom die Schallgeschwindigkeit erreicht. ^[15]

Wechselwirkungsgrenze

Bei hohen Wärmestromdichten wird Flüssigkeit durch den Dampf mitgerissen, und eine partielle Austrocknung der Kapillare führt zu einem Abriss der Flüssigkeitsströmung. ^[15]

Kapillarkraftgrenze

Die Kapillarkraftgrenze wird erreicht, wenn die Strömungsverluste des flüssigen Wärmeträgers größer sind als der vorhandene Kapillardruck ^[15]

Siedegrenze

Durch Blasensieden in der Kapillare wird der Flüssigkeitsstrom eingeschränkt bzw. er kommt dadurch zum Erliegen. ^[15]

Arten des Wärmerohrs und wirkende Kräfte

Heatpipe

Querschnitt durch eine Heatpipe. Die Kapillarwirkung wird durch ein eingelegtes Kupferdrahtgeflecht erzeugt.

Innerhalb von Heatpipes wird mit Kapillaren nach dem Dochtprinzip die Flüssigkeit zum Verdampfer zurückgeführt. Das kondensierte Fluid fließt daher lageunabhängig in der Kapillare zurück zum Verdampfer. Heatpipes arbeiten daher auch unter Schwerelosigkeit. Sie neigen im Vergleich zu Thermosiphonen (s. u.) kaum zum Austrocknen, da der Flüssigkeitsstrom durch die Dochtstruktur maßgeblich verbessert wird, was zu einer höheren übertragbaren Leistung führt. Der Docht sorgt außerdem dafür, dass, anders als beim Thermosiphon, die Wärme überall und über eine beliebige Höhe zugeführt werden kann. Verwendung finden Heatpipes überall dort, wo hohe Wärmestromdichten in beliebiger Orientierung gefordert sind.^[16]

Thermosiphon

Bei schwerkraftgetriebenen Wärmerohren (auch: Gravitationswärmerohre oder Zwei-Phasen-Thermosiphon) wie im Bild oben kreist das Medium aufgrund der Schwerkraft. Dadurch fließt das Wärmeträgermedium selbständig in den Verdampfer zurück. Die Wärme wird oft nur über den Sumpf, also bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels, zugeführt. Dies ist von der Filmbildung durch das zurückfließende (flüssige) Medium abhängig. Sind Thermosiphons in flacher Neigung ausgerichtet, können sie austrocknen, falls das kondensierte Medium nicht schnell genug zurückfließt.^[16]

Kräfte

Alle Kräfte, die auf das Arbeitsmedium wirken, beeinflussen die tatsächliche Wärmetransportleistung. Die Schwerkraft kann die Kapillarkräfte ergänzen oder teilweise aufheben, und etwa in rotierenden, als Wärmerohr aufgebauten Hohlwellen wirkt auch die Zentrifugalkraft.

Arbeitsmedien

Verdampfungstemperaturen (druckabhängig) einiger Stoffe in Wärmerohren

Die Merit-Zahl gibt die Leistungsfähigkeit eines Wärmeträgers in einer Heatpipe an. Dabei soll die Oberflächenspannung und die Verdampfungsenthalpie möglichst groß und die Viskosität möglichst gering sein. Mit ihr lässt sich also der für den Arbeitspunkt optimale Wärmeträger ermitteln.

Für sehr niedrige Temperaturen kommen Medien zum Einsatz, die unter Raumbedingung gasförmig sind. Mit Gasen wie zum Beispiel Helium, Stickstoff kann man den Temperaturbereich nahe dem absoluten Nullpunkt (0 K) bis hin zu etwa −20 °C abdecken. Darüber kommen typische Kältemittel wie Ammoniak oder Gemische zur Verwendung. Ab 0 °C bietet sich Wasser als Wärmeträger an. Je nach möglicher Druckfestigkeit (Dampfdruck) des Wärmerohrs reicht Wasser bis in Temperaturbereiche von 400 °C aus. Ab dieser Temperatur spricht man auch von Hochtemperatur-Heatpipes. Alkalimetalle wie Natrium und Lithium sind hier nach der Merit-Zahl die besten Wärmeträger. Nach oben wird der Bereich primär von der Festigkeit des verwendeten Materials der Heatpipe beschränkt.^[13]

Materialien

Der Kapillareffekt.

Je nach den äußeren Bedingungen kommen verschiedene Materialien sowohl für den Docht als auch für die Heatpipe in Frage. Das hängt vor allem davon ab, wie sich der Wärmeträger gegenüber dem Material verhält. Zum Beispiel löst Natrium Bestandteile aus Stählen heraus, was über längere Zeit zum Versagen der Heatpipe führt.

In den unteren Temperaturbereichen kommt meistens Kupfer zum Einsatz, da es leicht umformbar ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei Hochtemperatur-Heatpipes kommen hauptsächlich warmfeste Stähle wie 1.4841 oder Nickelbasislegierungen zum Einsatz.^[17] Die Dochtform ist maßgeblich vom Betriebspunkt abhängig. Überall dort, wo die Heatpipe an der Kapillarkraftgrenze betrieben wird, wird ein Docht benutzt, der einen geringen Strömungswiderstand hat. Hierfür sind rillenförmige Kapillarstrukturen typisch. Bei Hochtemperatur-Heatpipes kommen wegen der hohen Dichte des Wärmeträgers meist engmaschige Drahtgewebe zum Einsatz. Noch einfachere Typen kommen in Kupfer-Wasser-Heatpipes zur Anwendung, ähnlich wie Kupferleiter in einer Elektroleitung, dort vor allem wegen der preisgünstigen Herstellung.^[17]

Optimierung von Heatpipes

Reduzierung des Temperaturwiderstandes

Neben der Optimierung von Materialstrukturen o. Ä. lässt sich der Wirkungsgrad einer Heatpipe auch durch Modifizieren der Flüssigkeiten, die als wärmeübertragende Medien fungieren, deutlich steigern. Forscher der Tamkang University in Danshui (Taiwan) entwickelten eine wässrige Lösung, die mit einer bestimmten Menge winziger Nanopartikel versetzt ist, und verglichen deren Eigenschaften bzgl. des Temperaturübertragungsverhaltens mit denen von üblichen Heatpipeflüssigkeiten.

Deutlich wurde hierbei, dass sich durch Nutzung dieser Lösung als wärmetransportierendes Medium in einer Heatpipe eine Verbesserung, also eine Minimierung, des Temperaturwiderstandes von 10 % bis 80 % ergibt. Dabei ist die Effizienz dieser Flüssigkeit nicht nur abhängig von der Bauart und der inneren Struktur der Heatpipe, sondern auch von der Konzentration der Lösung und von der Größe der Nanopartikel. Verschiedene Tests haben ergeben, dass je kleiner der Durchmesser der Nanopartikel ist und je geringer deren Konzentration in der wässrigen Lösung ist, sich der Temperaturwiderstand der Heatpipe vergrößert.

Als Nanopartikel dienen 35 nm kleine Silberteilchen. Die Menge der sich in der Lösung befindlichen Teilchen variiert hierbei zwischen 1 mg bis 100 mg pro Liter. ^[18]

Nichtbenetzbare poröse Struktur

Darstellung von Kondensatkanal (Docht) und Dampfkanal einer Heatpipe

Ein großer Fortschritt in der Heatpipetechnologie gelang in den 1990er Jahren durch die sichere Entkopplung von Kondensat- und Dampfstrom durch Zuhilfenahme einer sog. nichtbenetzbaren porösen Struktur,^[19] was zu einer deutlichen Steigerung der internen Übertragungsleistung geführt hat. Das Problem war bis dahin gewesen, dass das zurückfließende Kondensat den entgegengesetzt fließenden Dampfstrom durch Kollisionen abgebremst und damit die Temperaturübertragung negativ beeinflusst hat.

Diese im Jahr 1991 patentierte nichtbenetzbare poröse Struktur, genutzt als Dampfkanal der Heatpipe, hat die Eigenschaft einer geringeren Oberflächenspannung als das wärmetransportierende Medium selbst (als Kondensat). Somit kann die poröse Struktur vom wärmetransportierenden Medium nur im gasförmigen Zustand durchdrungen werden, und jegliches Kondensat bleibt außerhalb.

Der Temperaturtransport findet, ähnlich wie oben angesprochen, durch den Wärmekreislauf über Dampf- und Kondensatkanal statt. Dabei bildet die nichtbenetzbare poröse Struktur zwischen Dampfkanal und Kondensatkanal die Grenze des Verdampfungs- und im Kondensierbereichs der Heatpipe.

Durch externe Wärmezufuhr verdampft das Kondensat und bewegt sich nun als Gas durch o. g. Struktur ins Innere der Heatpipe, den Dampfkanal, über welchen es anschließend in den Kondensationsbereich gelangt. Dort, an einer Wärmesenke, bildet die Trennwand, wiederum als nichtbenetzbare poröse Struktur ausgebildet, die Übergangsstelle zum Kondensationsbereich. Durch Druck- oder Konzentrationsgefälle diffundiert das Gas nach außen und tritt mit den Außenwänden der Heatpipe in Berührung. An dieser Stelle wird Wärmeenergie abgegeben, und der Dampf kondensiert. Hier besteht für das Kondensat aufgrund seiner großen Oberflächenspannung nur noch die Möglichkeit des Rückflusses durch den Kondensatkanal (Kapillarwirkung), an dessen Ende, am Ort der Wärmequelle, der Temperaturkreislauf durch äußere Wärmezufuhr wieder von Neuem beginnt. ^[20]

Verwendung von Nanostrukturen

Porengrößenabhängige Kapillarwirkung

Eine weitere Steigerung stellt die Entwicklung eines amerikanischen Forscherteams aus dem Jahre 2008 dar:

Unter Nutzung von Nanotechnologie bei der Herstellung der Kapillarstruktur in Heatpipes wird die Kapillarwirkung auf das entsprechende Arbeitsmedium nochmals deutlich gesteigert. Im nebenstehenden Schaubild ist schön zu sehen, dass mit sinkendem Porendurchmesser der Kapillarstruktur die erreichbare Steighöhe der Arbeitsflüssigkeit stark wächst. Den größten Erfolg hierbei liefert das Medium Wasser.

Neben der hierdurch resultierenden größeren Beschleunigungswirkung auf das Arbeitsmedium fällt dieser Technologie aber zu Laste, dass der Flüssigkeitstransport innerhalb der Heatpipe durch sehr kleine Strukturen, wie man es in der Praxis realisieren möchte, um einen größtmöglichen Erfolg zu verzeichnen, wiederum abgebremst, oder gar gänzlich unterbunden wird, weil die Poren zu klein zum Durchdringen geworden sind. Weiterer Störfaktor sind die unerwünschten Inhomogenitäten im Material (herstellungsbedingt), wie auch die sehr hohen Produktionskosten.^[21]

Überhitzungsschutz für Heatpipes

Querschnitt durch eine Folienheatpipe mit Überhitzungsschutz

Für gewöhnlich ist eine gewisse Festigkeit des Außenmantels einer Heatpipe zweckmäßig, nicht nur, um diese vor mechanischen Schäden zu schützen, sondern auch, um Druckdifferenzen von Atmosphärendruck und Innendruck, bedingt durch den Wärmeträger, standhalten zu können.

Probleme können aber auch auftreten, wenn die Heatpipe zu großen Temperaturen ausgesetzt ist, also wenn die zugeführte Wärmeenergie größer ist als die, die im Kondensationsbereich (Wärmesenke) wieder nach außen abgeführt werden kann. Hierdurch entsteht ein unzulässig hoher Innendruck, was zu Beschädigungen des Außenmantels, bis hin zur Zerstörung der Heatpipe führen kann. Abhilfe schafft eine im Jahr 2005 patentierte Technologie, die den Hitzeschutz einer Heatpipe garantiert.^[19]

Querschnitt durch eine Folienheatpipe im Normalbetrieb

Aufgebaut ist sie im Inneren aus einer bekannten Struktur aus zwei Bereichen mit unterschiedlichen Porendurchmessern (Dampf- und Kondensatkanal). Im Mittelbereich soll das gasförmige Medium durch eine poröse Materialstruktur mit großem und im Außenbereich das Kondensat (über die Kapillarwirkung) durch eine poröse Struktur mit kleinem Porendurchmesser geführt werden. Der eigentliche Unterschied zur gewohnten Heatpipe liegt im Außenmantel selbst. Dieser besteht nicht, wie gewohnt, aus einem starren Material, sondern aus zwei elastischen und zudem sehr dünnen Folien, die an ihren Enden miteinander verbunden sind und auf der äußeren Kapillarstruktur aufliegen. Innen- und Außendruck kompensieren sich im Normalbetrieb derart, dass die Folien parallel im vorgegebenen Abstand zueinander liegen und die äußere poröse Struktur über die Folien unmittelbar in Kontakt zur Wärmequelle und Wärmesenke steht.

Querschnitt durch eine Folienheatpipe im Überhitzungsfall. Entstandener Hohlraum bildet einen thermischen Widerstand.

Baut sich nun ein unerwartet hoher Druck auf, sei es dadurch, dass mehr Wärmeenergie zu- als abgeführt wird, so wirken Kräfte auf die Außenhaut der Heatpipe, die diese, aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften, nach außen drückt. Die hierdurch entstehende Kammer füllt sich mit gasförmigem Wärmeträger. Eine mechanische Beschädigung der Heatpipe wird auf diese Weise umgangen. Zusätzlich baut sich durch dieses Phänomen ein thermischer Widerstand zwischen der das Kondensat führenden Kapillarstruktur und der Außenhaut auf, weil Kondensat und Wärmequelle nicht mehr im unmittelbaren Kontakt zueinander stehen, sondern durch das Gas voneinander getrennt sind. Die Intensität der auf das Kondensat wirkenden Heizenergie, also der aufgenommenen Wärmeenergie, wird deshalb reduziert, was für die abgegebene Energie nicht zutrifft, da diese im nach wie vor die Außenhaut berührenden Gas gespeichert ist.

Ein weiterer Pluspunkt für diese Technologie mit Folienhülle sind die geringeren Außenabmessungen der Heatpipe – daraus resultierend, dass auf die massive Hülle verzichtet wird. In der Praxis ist darauf zu achten, dass die Heatpipe hierdurch besser gegen mechanische Einflüsse geschützt werden muss, als bei anderen Bauformen gewohnt. ^[22]

Arbeitsbereichserweiterung

Der Arbeitspunkt einer Heatpipe liegt allgemein bei der Temperatur, bei der das wärmetransportierende Medium kondensiert bzw. verdampft. Aus dieser spezifischen Eigenschaft ergeben sich die potenziellen Einsatzgebiete einer Heatpipe, was Ursache dafür ist, dass in der Praxis die unterschiedlichsten wärmetransportierenden Medien als Arbeitsmedien eingesetzt werden. Dabei wird häufig auch auf Gemische unterschiedlicher Elemente nicht verzichtet, durch die der Siedepunkt auf beliebige Temperaturen variiert werden kann.

Darstellung von Puffergaszone und Arbeitsbereich einer mit Puffergas gefüllten Heatpipe

Häufig ist es jedoch sinnvoller, sei es deswegen, dass manche Elemente ungewünschte chemische Reaktionen mit dem verwendeten Heatpipematerial eingehen, oder nicht zuletzt auch aus Kostengründen, ein gewünschtes Element auf diese Weise anzupassen, dass es in vielen verschiedenen Temperaturbereichen als wärmetransportierendes Medium fungiert. Dazu ist es zweckmäßig, den Siedepunkt nach Belieben anpassen zu können, was in der Praxis durch Zuhilfenahme eines Puffergases realisiert wird.

Diese sogenannte Arbeitsbereichserweiterung beruht auf der physikalischen Eigenschaft der Druckabhängigkeit der Siedepunkte der Elemente. Nun wird im Herstellungsprozess ein weiterer Schritt eingebunden, bevor die Heatpipe hermetisch verschlossen wird:

Nach Befüllung mit dem wärmetransportierenden Medium und Evakuierung überschüssiger Gase wird ein definierter Innendruck durch zusätzliche Befüllung der Heatpipe mit einem Gas eingestellt, dem sogenannten Puffergas. Dieses bildet innerhalb der Heatpipe eine Pufferzone, in welche das Arbeitsmedium nicht eindringen kann. Wichtiges Kriterium für die Wahl dieses Puffergases muss sein, dass es unter keinen Umständen im späteren Arbeitsbereich chemische Reaktionen mit der Heatpipe oder mit dem wärmetransportierenden Medium eingehen darf. Beispielsweise ließe sich bei der Nutzung des Arbeitsmediums Quecksilber ein reaktionsträges Puffergas wie Argon oder Helium verwenden.

Durch dieses Verfahren lässt sich ein gewünschter Innendruck einstellen, der den Siedepunkt des Arbeitsmediums, und somit den Arbeitsbereich der Heatpipe, nach Belieben variiert.

Neben der Möglichkeit, verschiedene Arbeitspunkte über dieses Verfahren einstellen zu können, ist es ebenfalls von Vorteil, dass eventuell entstehende Verunreinigungen in der Heatpipe in die Pufferzone gespült werden und den weiteren Betrieb dadurch nicht beeinflussen, da diese außerhalb von Kondensat- und Dampfkanal liegt. Nachteilig hingegen ist der zusätzliche Platzbedarf durch die Pufferzone. Die Heatpipe kann hierdurch nicht über die volle Länge zum Wärmetransport genutzt werden.^[23]

Herstellung

Sind die Randbedingungen des Wärmerohrs erarbeitet, müssen diese auch Berücksichtigung bei der Herstellung finden. Das wesentliche Merkmal ist dabei die Siedetemperatur bzw. der Dampfdruck des Mediums, da das Wärmerohr erst mit Erreichen dieser Temperatur zu arbeiten beginnt. Thermodynamisch lässt sich die Siedetemperatur über den Dampfdruck einstellen. In den meisten Fällen wird eine möglichst niedrige Siedetemperatur angestrebt. Bei Wasser wäre das beispielsweise die Temperatur des Tripelpunkts. Wirft man einen Blick in die zugehörige Dampftafel, wird klar, dass im Falle von Wasser ein äußerst niedriger Druck notwendig ist, um die Siedetemperatur beispielsweise auf Raumtemperatur herabzusetzen^[17].

Eines der häufig angewendeten Verfahren ist die mechanische Evakuierung der Heatpipe. Dabei wird eine entsprechende Pumpe angeschlossen, und bei Erreichen eines bestimmten Drucks (Vakuum) wird die Heatpipe meistens rein mechanisch verschlossen.^[17]

Dieses Verfahren ist aufwändig und teuer. Darum nutzt man eine weitere Möglichkeit durch die Befüllung der Heatpipe mit dem Wärmeträger selbst, anstelle einer Evakuierung durch eine Vakuumpumpe. Dazu werden an die Heatpipe ein Befüll- und ein Kühlrohr angebracht. Durch das Befüllrohr führt man das gewünschte wärmetransportierende Medium in die Heatpipe ein. Nach diesem Vorgang wird die Heatpipe am anderen Ende erhitzt, sodass der übliche Wärmekreislauf gestartet wird. Nun beginnt das eingefüllte Medium, das zu Beginn als Kondensat vorliegt, zu verdampfen. Der sich dadurch aufbauende Druck bewirkt, dass sich die Medien in der Heatpipe ausdehnen, und, wegen des Kühlrohrs, alle unerwünschten Gase, also die, die nicht kondensierbar sind, durch das Befüllrohr entweichen.

Der Sinn des Kühlrohrs wird an dieser Stelle klar: Das wärmetransportierende Medium, das derweil als Gas in Richtung Befüllrohr strebt, kondensiert durch die Kühlung und bewegt sich durch die Kapillarwirkung der äußeren Porenstruktur der Heatpipe als Kondensat zurück zur Wärmequelle. Übrige Gase, also alle die, die nicht kondensierbar sind, treten nicht in die Kapillarstruktur ein, sondern werden durch den inneren Druck nach außen gespült.

Das Befüllrohr wird hermetisch verschlossen, wenn alle nicht kondensierbaren Gase ausgetrieben worden sind und sich die stationäre Grenze von Luft und Wärmeträger unmittelbar am Befüllrohr befindet.^{[19] [17]}

Geschichte und Entwicklung

Eine erste Heatpipe wurde 1944 patentiert.^[24] Allerdings gab es zu diesem Zeitpunkt noch keine sinnvolle Einsatzmöglichkeit. Erst als in den 1960er Jahren die Raumfahrt maßgeblich entwickelt wurde, wurde diese Idee wiederaufgenommen.^[25] Auch heute noch werden Heatpipes zur Kühlung der sonnenzugewandten Seite von Satelliten benutzt. Die erste Hochtemperatur-Heatpipe wurde 1964 vorgestellt.^[26] Seitdem wurden die physikalischen Beschreibungen wie die Eigenschaften bestimmter Wärmeträger, Kapillarstrukturen und die analytische Beschreibung von Heatpipes, deutlich erweitert. Auch heute noch wird an Heatpipes geforscht, denn sie stellen eine preiswerte und hocheffektive Möglichkeit der Wärmeübertragung dar ^[27].

Weblinks

 Commons: Heatpipes – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Wärmerohr Grundlagen (PDF-Datei; 3 MB)

Einzelnachweise und Literatur

1. ↑ [1] Heat pipe basics
2. ↑ S.84 Wärmerohre als Bauelemente in der Energietechnik
3. ↑ European Patent EP1031511
4. ↑ Abstract der Veröffentlichung: Heat pipes for the trans-Alaska pipeline
5. ↑ The Trans-Alaska Pipeline Passive Cooling System
6. ↑ Kohlenstoffdioxid Erdwärmesonden
7. ↑ Einsatz von Wärmerohren im Heatpipe-Reformer
8. ↑ Hochtemperatur-Heatpipes
9. ↑ [2]
10. ↑ German Patent DE 10 2009 049 196 A1
11. ↑ [ http://de.wikipedia.org/wiki/Ausdehnungskoeffizient]
12. ↑ [3]
13. ↑ ^{a b} Faghri, A.: Heat Pipe Science and Technology, Taylor and Francis, 1995
14. ↑ Schneider, M.: Modeling and optimisation of heat pipe plates for cooling of electronic circuits, IKE, 2007
15. ↑ ^{a b c d e f} Verein deutscher Ingenieure VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006
16. ↑ ^{a b} Rohsenow, W. M. Handbook of Heat Transfer, Mcgraw-Hill Publ.Comp., 1998
17. ↑ ^{a b c d e} Dunn, P., Heat pipes, Pergamon Press, 1994
18. ↑ [4]
19. ↑ ^{a b c} [Patent DE3929024A1]
20. ↑ German Patent DE 39 29 024
21. ↑ [5]
22. ↑ German Patent DE 20 2005 008 792 U1
23. ↑ [6]
24. ↑ Gaugler, R. S., “Heat Transfer Device”, U. S. Patent 2,350,348
25. ↑ Trefethen, L., “On the Surface Tension Pumping of Liquids or a Possible Role of the Candlewick in Space Exploration”, G. E. Tech. Info., Ser. No. 615 D114, Feb. 1962
26. ↑ Grover, G. M., Cotter, T. P. and Erikson, G. F., “Structures of Very High Thermal Conductivity”, J. Appl. Phys., 35, 1990 (1964)
27. ↑ http://www.heatpipe-reformer.de/index.php?id=27 Einsatz von Hochtemperatur-Heatpipes in einem Biomasse-zu-Gas-Reaktor

Quellen

• Kühlanordnung für eine Drehanode (Zentrifugalkraft)
• Allotherme Wirbelschichtvergasung – Möglichkeiten zur Realisierung des Wärmeeintrags in Wirbelschichten (Schwerkraft, Heat-Pipe; PDF-Datei; 1001 kB)