Heatpipe

Ein Wärmerohr ist ein Wärmeüberträger, 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 kleinsten 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 (analog dem Ohmschen Widerstand) eines Wärmerohrs ist deutlicher 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 Wärmetauscher unter gleichen Einsatzbedingungen. Durch geschickte Wahl des Arbeitsmediums des Wärmerohrs können 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 grundsätzlich nicht 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 herkömmlichen Baustahl. Auf der Heatpipe sind die Kühlfinnen 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 Finnen 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 Hilfsernergie 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 oft mit gesundheitschädlichen Stoffen befüllt, daher sollten Wärmerohre nicht geöffnet werden und fachgerecht entsorgt werden. Außerdem verlieren sie mit dem Öffnen im Regelfall ihre Funktionsfähigkeit.

Funktionsweise

Arbeitsprinzip eines Thermosyphons.

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 (Thermosyphon) 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.^[9] 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. ^[10]). 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.^[11]

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.^[11]

• Schallgeschwindigkeitsgrenze

  Die Wärmestromdichte kann nur soweit gesteigert werden, bis der durch den Druckunterschied entstehende Dampfstrom die Schallgeschwindigkeit erreicht. ^[11]

• Wechselwirkungsgrenze

  Bei hohen Wärmestromdichten wird Flüssigkeit durch den Dampf mitgerissen, und eine partielle Austrocknung der Kapillare führt zu einem Abriss der Flüssigkeitsströmung. ^[11]

• Kapillarkraftgrenze

  Die Kapillarkraftgrenze wird erreicht, wenn die Strömungsverluste des flüssigen Wärmeträgers größer sind als der vorhandene Kapillardruck ^[11]

• Siedegrenze

  Durch Blasensieden in der Kapillare wird der Flüssigkeitsstrom eingeschränkt bzw. er kommt dadurch zum Erliegen. ^[11]

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 Thermosyphonen (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 Thermosyphon, die Wärme überall und über eine beliebige Höhe zugeführt werden kann. Verwendung finden Heatpipes überall dort, wo hohe Wärmestromdichten in beliebiger Orientierung gefordert sind.^[12]

Thermosyphon

Bei schwerkraftgetriebenen Wärmerohren (auch: Gravitationswärmerohre oder Zwei-Phasen-Thermosyphon) wie im Bild oben kreist das Medium aufgrund der Schwerkraft. Dadurch fließt das Wärmeträgermedium selbständig in den Verdampfer zurück. Die Wärme kann nur über den Sumpf, also bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels zugeführt werden. Sind Thermosyphons in flacher Neigung ausgerichtet, können sie austrocknen, falls das kondensierte Medium nicht schnell genug zurückfließt.^[12]

Kräfte

Alle Kräfte, die auf das Arbeitmedium 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.^[9]

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.^[13] 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.^[13]

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^[13].

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.^[13]

Bei einem anderen Verfahren wird die Heatpipe wie ein Einmachglas ausgekocht. Bei Umgebungsbedingungen steigt durch Wärmeeintrag langsam eine Kondensationsfront im Wärmerohr empor. Die auftretende Strömung des Mediums ist dabei so groß, dass es sich nicht weiter mit der Umgebung (z. B. Luft oder inertes Gas) vermischt. Dieser instationäre Prozess wird so lange aufrecht erhalten, bis die Front am oberen Ende des Wärmerohrs angelangt ist. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich nur noch Wärmeträger im Wärmerohr, und es kann durch ein geeignetes Verfahren verschlossen werden. ^[13]

Geschichte und Entwicklung

Heatpipes und Radiator einer russischen Raumsonde.

Eine erste Heatpipe wurde 1944 patentiert.^[14] 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.^[15] Auch heute noch werden Heatpipes zur Kühlung der sonnenzugewandten Seite von Satelliten benutzt. Die erste Hochtemperatur-Heatpipe wurde 1964 vorgestellt.^[16] 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 ^[17].

Weblinks

• Wärmerohr Grundlagen

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. ↑ ^{a b} Faghri, A.: Heat Pipe Science and Technology, Taylor and Francis, 1995
10. ↑ Schneider, M.: Modeling and optimisation of heat pipe plates for cooling of electronic circuits, IKE, 2007
11. ↑ ^{a b c d e f} Verein deutscher Ingenieure VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006
12. ↑ ^{a b} Rohsenow, W. M. Handbook of Heat Transfer, Mcgraw-Hill Publ.Comp., 1998
13. ↑ ^{a b c d e} Dunn, P., Heat pipes, Pergamon Press, 1994
14. ↑ Gaugler, R. S., “Heat Transfer Device”, U. S. Patent 2,350,348
15. ↑ 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
16. ↑ Grover, G. M., Cotter, T. P. and Erikson, G. F., “Structures of Very High Thermal Conductivity”, J. Appl. Phys., 35, 1990 (1964)
17. ↑ http://www.heatpipe-reformer.de/index.php?id=27 Einsatz von Hochtemperatur-Heatpipes in einem Biomasse-zu-Gas-Reaktor

Quellen

• %2F008161&IA=EP2006 %2F008161&DISPLAY=DESC Kühlanordnung für eine Drehanode (Zentrifugalkraft)
• Allotherme Wirbelschichtvergasung – Möglichkeiten zur Realisierung des Wärmeeintrags in Wirbelschichten (Schwerkraft, Heat-Pipe)