Grundlagen Heatpipe
Einleitung
In dieser Ausarbeitung möchte ich die wichtigsten Punkte zum Thema "Heatpipes" erläutern. Anfänglich über den Aufbau, diverse Materialien und Funktionsablauf der warmen über die adiabatische Transport- bis hin zur kalten Zone und wieder zurück. Zu vernachlässigen sind dabei nicht die Kapillarkräfte der Natur, die der Mensch sich bei der Heatpipeumsetzung abgeguckt und zu Nutze gemacht hat. Damit eine Heatpipe letztendlich optimal funktioniert müssen eine Reihe von Punkten eingehalten werden, welche das sind erfahrt ihr im folgenden Bericht.
Definition
Bei einer Heatpipe (Hitzerohr) handelt es sich um eine Pumpe in Form eines in sich geschlossenen Rohres, in dem Unterdruck herrscht, in welchem sehr effizient Wärme von einem Ort zu einem anderen transportieren werden kann. Um den Transport zu ermöglichen macht man sich den physikalischen Effekt des Verdampfens von einer Flüssigkeit an der einen Seite der Heatpipe zu Nutze, wobei enorme Mengen von Energie umgewandelt werden. Auf der anderen Seite kondensiert die Flüssigkeit wieder und fließt zurück, womit ein kontinuierlicher Kreislauf durch Konvektion entsteht.
Kapillarkraft
Da eine Heatpipe keine beweglichen Teile besitzt, macht man sich die Kapillarkraft der Natur zu nutze. Diese Kraft ist eine sehr wichtige Gegenspielerin der Gravitationskraft.
Die Kapillarkraft bewirkt, dass Flüssigkeiten, wie Wasser in der Natur, als Folge von Oberflächenspannungen, Kohäsion und Adhäsion von Flüssigkeiten in den Gefäßen, gegen die Gravitationskraft in kleine Poren fließen können. Die Kapillarkraft sorgt in der Natur dafür, dass das Wasser stets in den oberen Erdschichten bleibt und somit für die Wurzeln der Pflanzen erreichbar bleibt.
Grundsätzlich gelten vier Gesetze in der Natur, die für den Aufwärtstransport gegen die Gravitationskraft verantwortlich sind:
- Transpirationssog
unterschiedliches Wasserpotentialgefälle zwischen Boden und Luft - Wurzeldruck
aktiver Salztransport der Endodermis in den Zentralzylinder - Luftdruck
hebt Wassersäulen bis ca. 10m Höhe - Kapillarkraft
Kohäsion und Adhäsion von Flüssigkeit in den Gefäßen
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Man fragt sich sicher, wie 30m hohe Bäume es schaffen die aufgenommene Flüssigkeit durch die Wurzeln in die Blätter zu befördern, damit dort Photosynthese betrieben werden kann. Der Luftdruck kann eine Flüssigkeitssäule ca. 10m hoch heben, oder anders gesagt, der Gewichtsdruck einer 10m hohen Wassersäule entspricht dem Luftdruck von 1 bar (0,1 MPa). Deshalb haben Pflanzen bis 10m Höhe keine Probleme das durch die Wurzeln aufgenommene Wasser in die Blätter zu transportieren. Pflanzen, die mehr als 10m in die Höhe ragen, müssen also einen ununterbrochenen Kreislauf des Flüssigkeitstransports garantieren, um die Blätter mit Wasser zu versorgen. In den Blättern verdunstet das Wasser, somit der Transpirationssog in Gang gesetzt wird. Die Transportrohre, in denen die Kapillarkräfte wirken, sind im Durchmesser kleiner als 1 Millimeter (ø < 1mm). Diese Kraft macht man sich zu nutze, um einen kontinuierlichen Kreislauf von Flüssigkeit innerhalb der Heatpipe zu erlangen. |
Material
Eine Heatpipe besteht aus einem luftdicht abgeschlossenem Kupfer- oder Aluminiumrohr. Diese beiden Metalle werden vorwiegend bei der Kühlung von Komponenten eingesetzt, wobei goldbeschichtete Komponenten auch anzutreffen sind, jedoch aus Kostengründen finden diese wenig Beachtung.
Leitermaterial
In einem Ranking von leitenden Metallen liegt Kupfer an der zweiten Stelle. Platz eins nehmen die Supraleiter ein. Dahinter folgen eng beieinander Gold und Silber. Aluminium folgt erst dahinter mit weitem Abstand.
Warum wird Aluminium so gern als Leiter eingesetzt?
Nun ja, es ist sehr leicht, aufgrund seiner geringen Dichte zu Kupfer und lässt sich zudem leichter bearbeiten. Aluminium ist ein Leichtmetall mit nur etwa 35% der Dichte von Kupfer. Zudem liegt der Preis nach Gewicht für Aluminium geringfügig bis erheblich unter dem von Kupfer. Die Kosten für die Herstellung von elektrischen Leitern Leiter / Leitungen können sich somit auf das Dreifache summieren, sollte man Kupfer statt Aluminium verwenden.
Da geht man gut und gerne das Risiko ein um ca. die Hälfte an Leistung für schlechtere Leiter auf Grund des Gewichts und der Kosten zu verwenden.
Legierungen
Nur wenige Materialien besitzen eine solch hohe Dichte, sodass sie undurchlässig für Gase sind. Je höher die Diffusionsdichte liegt, desto eher eignen sich Metalle für die Verwendung von Wärmeleitern. Kupfer hat hier den höchsten Wert und ist somit absolut dicht gegenüber Gasen. Im Bauwesen wird Kupfer (Cu-DHP) mit einem Kupfergehalt von mindestens 99.90% verbaut.
- Dichte von Kupfer
- bei Zimmertemperatur (ca.20 °C) hat Cu-DHP eine Dichte von 8,94 kg/dm3
- die Schmelztemperatur, bei 1083 °C liegend, hat Cu-DHP eine Dichte von 8,33 kg/dm3
Zulegierte Elemente werden in der EuroNorm bewusst zu den Legierungselementen gelistet. Aus E-Cu57 ist nicht genormt, währenddessen E-Cu58 zu CU-ETP oder SF-CU zu CU-DHP wurde. Lange Bezeichnungen enstanden vor allem bei einigen Aluminiumlegierungen oder Sondermessing.
Lageabhängigkeit
Beeinflusst von Gravitationskräften muss die Wahl der Lage einer Heatpipe genau abgewogen werden. Eine falsche Position kann die Leitleistung, die Wärme zu transportieren, deutlich einschränken.
Beim Aufbau des Innenraumes muss also zwischen zwei verschiedenen Einsatzgebieten unterschieden werden. Zum einen der senkrechte und zum anderen der waagerechte Betrieb einer luftdicht abgeschlossenen Heatpipe.
senkrechter Betrieb |
waagerechter Betrieb |
| Beim Betrieb einer Heatpipe im senkrechten Zustand befinden sich in der Innenwand des Rohres Längsrillen/-rippen. Diese bezeichnet man auch als "Grooves". Eine solche Heatpipe darf dann ausschließlich senkrecht verbaut werden. Je weiter man die Heatpipe in eine waagerechte Position geneigt, desto schlechter wird die Transportleistung Wärme abzuführen und die kondensierte Flüssigkeit zurückliefern zu können. Der Grund für die immer schlechter werdende Transportleistung hängt mit der Schwerkraft zusammen, womit die Wirkleistung der Grooves nachlässt. |
Beim Betrieb einer Heatpipe im waagrechten Zustand muss die Transportleitleistung, Wärme abzuführen, entscheidend anders aussehen. Statt der Längsrillen verwendet man hier ein Geflecht in Form von Maschen, die auch als "Wicks" bezeichnet werden. Dieses Geflecht macht es überhaupt möglich, das die Flüssigkeit vom Dampf getrennt werden kann. Im Gegensatz zum senkrechtem Betrieb, bei dem der Überdruck an Wasserdampf gegen die Erdanziehungskraft strebt und kondensiertes Wasser anzieht, kann sich der Überdruck beim waagerechten Betrieb lediglich nur gleichmäßig auf das Wicks-Geflecht ausbreiten. Der Kreislauf wird somit nicht durch die Erdanziehungskraft unterstützt, sodass die Wirkleistung gedrosselt wird und nur der nachströmende Wasserdampf für einen kontinuierlichen Kreislauf sorgen kann. |
Übertragungsmedium
Im Inneren des luftdicht verschlossenen Rohres befindet sich ein Übertragungsmedium, bestehend aus einer Kühlflüssigkeit, die in Abhängigkeit vom herrschenden Innendruck so ausgewählt wurde, dass sie kurz über der Umgebungstemperatur beginnt zu sieden. Auf keinen Fall darf der Siedepunkt gleich oder über der maximalen Betriebstemperatur des zu kühlenden Mediums liegen. Je nachdem welchen zu kühlenden Temperaturbereich die Heatpipe abdecken soll, gibt es verschiedene fluide Stoffe, die eingesetzt werden.
Dazu zählen u.a.: flüssige Gase, Alkohole, (destilliertes) Wasser, MetalleDiese Flüssigkeiten bzw. Übertragungsmedien lassen sich in drei Kategorien aufsplitten, abhängig vom praktischen Einsatzzweck:
- niedrige Temperaturen:
flüssige Gase wie Helium, Nitrogen, Ammoniak - mittlere Temperaturen: (ideal für die Kühlung von elektrischen Komponnenten)
Destilliertes/Demineralisiertes Wasser mit verschiedenen Zusätzen, organische Substanzen wie Aceton (Siedepunkt bei 56°C) (trivial für Propanon oder auch Dimethylketon), Methanol (Siedepunkt 65°C), Ethanol (Siedepunkt 78°C) - hohe Temperaturen:
Metalle
Röhren (Pipes)
Wie in der Natur müssen auch bei den Heatpipes dünne Rohre vorhanden sein. Je kleiner der Radius in Verbindung mit dadurch steigender Oberflächenspannung, erzeugt größere Kapillarkräfte, die entscheidend für die Performance und Grenzen einer Heatpipe sind.
Generell liegen die Größen der Radien zwischen 6mm bis 22mm, je nach Einsatzort.
- optimale Eigenschaften eines Rohres:
- hohe Oberflächenspannung
- niedrige Viskosität
- gute Wärmeleitfähigkeit (eher Kupfer als Aluminium verwenden)
- große Verdampfungsenthalpie
- optimaler Dampfdruck (weder extrem niedrig noch extrem hoch)
- gute Benetzfähigkeit
Die Pipes brauchen keine komplette Gerade zu bilden, jedoch muss man mit Leistungseinbußen rechnen, der abhängig von dem Krümmungswinkel ist. Es wird empfohlen den Krümmungswinkel nicht mehr größer als 120° werden zu lassen. Selbst bei kleineren Krümmungen können Leistungseinbußen von 30% schnell erreicht werden.