Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen zu Heatpipes, Wärmetechnologie und Wärmemanagement.
Heatpipes und Wärmetauscher
Was ist eine Heatpipe?
Eine Heatpipe ist ein Wärmeübertragungselement mit einer extrem hohen effektiven Wärmeleitfähigkeit. Heatpipes sind evakuierte Behälter mit einem üblicherweise kreisförmigen Querschnitt, die mit einer kleinen Menge Arbeitsfluid hinterfüllt sind. Es handelt sich um völlig passive Systeme ohne bewegliche Teile, die Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke mit minimalen Temperaturgradienten übertragen oder Oberflächen isothermisieren.
Wie funktioniert eine Heatpipe?
Durch die Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids. Wenn am Verdampfer Wärme zugeführt wird, verdampft die Flüssigkeit, wodurch ein Druckgefälle in der Leitung entsteht. Dadurch strömt der Dampf zwangsläufig durch das Rohr zum kühleren Teil, wo er kondensiert und seine latente Verdampfungswärme abgibt. Das Arbeitsfluid wird dann durch Kapillarkräfte in der porösen Dochtstruktur oder durch Schwerkraft zum Verdampfer zurückgeführt.
Wozu werden Heatpipes verwendet?
Heatpipes werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt – überall dort, wo Wärme mit einem minimalen thermischen Gradienten übertragen werden muss, entweder, um die Größe der Wärmesenke zu erhöhen, um die Senke an einen entfernten Ort zu verlegen oder wo isotherme Oberflächen erforderlich sind. Typische Anwendungen sind die Kühlung von Computerprozessoren, isothermische Ofenauskleidungen und die Wärmeübertragung in der Luft- und Raumfahrt.
Wie hoch ist die Wärmeleitfähigkeit einer typischen Heatpipe?
Heatpipes haben keine feste Wärmeleitfähigkeit wie Feststoffmaterialien, da sie sich durch eine zweiphasige Wärmeübertragung auszeichnen. Stattdessen verbessert sich ihre effektive Wärmeleitfähigkeit mit der Länge. Eine 12-Zoll- und eine 4-Zoll-Heatpipe, die jeweils 100 W tragen, haben in etwa den gleichen Wärmegradienten, so dass das 12-Zoll-Rohr die höhere effektive Wärmeleitfähigkeit aufweist. Im Unterschied zu Festkörpern ändert sich die effektive Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe mit der übertragenen Leistung und der Größe des Verdampfers und des Kondensators. Die effektiven Wärmeleitfähigkeiten können je nach Länge der Heatpipe das 10- bis 10,000-fache (4.000 W/m-K bis 4,000,0000 W/m-K) der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Kupfer betragen.
Aus welchen Materialien kann eine Heatpipe gebaut werden?
Die Wahl des Materials der Heatpipe-Wand oder des -Mantels richtet sich nach der Kompatibilität mit dem Arbeitsmedium. Die Arbeitsflüssigkeit der Heatpipe wird auf der Grundlage des Betriebstemperaturbereichs der Anwendung ausgewählt. Nachdem ein Arbeitsmedium ausgewählt wurde, wird das Material der Heatpipe-Wand oder des -Mantels auf der Grundlage seiner chemischen Kompatibilität mit dem Arbeitsmedium ausgewählt, um Korrosion oder chemische Reaktionen zwischen dem Medium und der Heatpipe-Wand oder dem -Mantel zu verhindern. Ein chemisches Kompatibilitätsproblem zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wandmaterial in einer Heatpipe kann eine chemische Reaktion hervorrufen, die ein nicht kondensierbares Gas erzeugt. Nicht kondensierbare Gase in einer Heatpipe können Betriebsstörungen verursachen.
Welches sind die wichtigsten Grenzen des Wärmetransports in einer Heatpipe?
Die vier grundlegenden Beschränkungen des Wärmetransports in Heatpipes sind:
Kapillargrenze: Dies ist der maximale kapillare Pumpdruck der Dochtstruktur, um das Arbeitsmedium vom Heatpipe-Kondensator zum Verdampfer zu transportieren. Der Kapillarpumpdruck muss drei grundlegende Druckabfälle in der Heatpipe überwinden, nämlich den Dampfdruckabfall, den Flüssigkeitsdruckabfall und den Druckabfall durch Schwerkraft/Körperkraft.
Siedegrenze: Die Siedegrenze tritt ein, wenn der maximale radiale Wärmestrom (W/cm2) überschritten wird, was dazu führt, dass die Verdampfungsrate des Arbeitsmediums die Rücklaufrate des flüssigen Kondensats aus dem Kondensatorteil der Heatpipe überschreitet. Wenn die Siedegrenze erreicht ist, kann das flüssige Arbeitsfluid keine Wärme mehr aufnehmen. Die Heatpipe geht in einen Austrocknungszustand über und arbeitet nicht mehr.
Schallgrenze: Die maximale Dampfdurchflussmenge der Arbeitsflüssigkeit, die vom Verdampfer der Heatpipe zum Kondensator fließt. Wenn die Dampfflussrate die Schallgeschwindigkeit übersteigt, kommt es zu einer verkeilten Strömung und die Heatpipe arbeitet nicht mehr isotherm.
Mitreißgrenze: Sie tritt ein, wenn die schiere Kraft des Dampfes, der vom Verdampfer zum Kondensatorteil der Heatpipes an der Grenzfläche zwischen Dampf und Docht fließt, dazu führt, dass Flüssigkeitströpfchen mitgerissen und zum Kondensatorteil getragen werden. Ein Überschreiten des Mitreiß-Grenzwerts kann dazu führen, dass das Arbeitsmedium nicht mehr vom Kondensator- zum Verdampferteil zurückfließen kann, sodass die Heatpipe nicht mehr funktioniert.
Sind Heatpipes zuverlässig?
Ja, vor allem, weil sie keine beweglichen Teile haben. Sie sind ideal für Anwendungen wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, wo eine Wartung nicht möglich ist. Die Hauptursache für Ausfälle von Heatpipes ist die Gasbildung in der Heatpipe, die jedoch durch ordnungsgemäße Reinigungs- und Montageverfahren vollständig vermieden werden kann. Boyd ist der einzige Heatpipe-Hersteller der Welt, der von über 40 Jahren Zuverlässigkeits- und Lebensdauertestdaten für Heatpipes sprechen kann.
Sind Heatpipes teuer?
Im Vergleich zu herkömmlichen (und weniger effektiven) Wärmeübertragungsmethoden wie Aluminium-Strangpressprofilen und gegossenen Kühlkörpern können Wärmerohre höhere Anschaffungskosten haben. Daher werden Heatpipes nicht für Anwendungen empfohlen, bei denen die Kühlung durch einfache konduktive Kühlkörper erfolgen kann. Bei anspruchsvolleren Anwendungen jedoch sind die Gesamtkosten von Heatpipes im Vergleich zu Alternativen wettbewerbsfähig. Die anfänglichen Kosten werden auch teilweise durch die verbesserte Systemzuverlässigkeit und die längere Lebensdauer der kühler laufenden Elektronik ausgeglichen. In großen Mengen sinken die Kosten für Heatpipes erheblich und machen sie oft zur wirtschaftlichsten Lösung für eine Kühlanwendung.
Können Heatpipes entgegen der Schwerkraft arbeiten?
Ja, dies ist immer dann der Fall, wenn sich der Kondensator oberhalb des Verdampfers befindet. Bei diesen Anwendungen muss das Arbeitsmittel gegen die Schwerkraft zurück zum Verdampfer gepumpt werden. Dies geschieht durch Dochtstrukturen, die die Arbeitsflüssigkeit mittels des Kapillardrucks pumpen, der im porösen Docht entsteht. Je feiner der Porenradius einer Dochtstruktur ist, desto höher kann die Heatpipe gegen die Schwerkraft arbeiten. (Nanoskalige Dochte sind verfügbar.)
Nicht alle Arten der passiven Wärmeübertragung können gegen die Schwerkraft arbeiten. Ein Thermosifon ähnelt einer Heatpipe, hat aber keine Dochtstruktur und funktioniert nur mithilfe der Schwerkraft.
Welche Flüssigkeiten werden in Heatpipes eingesetzt?
Die Arbeitsflüssigkeiten für Heatpipes reichen von Helium und Stickstoff für kryogene Heatpipe-Anwendungen zu flüssigen Metallen wie Natrium und Kalium für die Wärmeableitung im Hochtemperaturbereich. Einige der gebräuchlichsten Heatpipe-Flüssigkeiten, die zur Kühlung von Elektronik verwendet werden, sind Ammoniak, Wasser, Aceton und Methanol. Boyd hat Erfahrung in der Herstellung von Heatpipes mit all diesen Flüssigkeiten für kryogene Anwendungen bis hin zu Hochtemperaturanwendungen (>1.000 °C).
Wie funktioniert eine Wasser-Heatpipe unter 100 °C?
Wasser mit atmosphärischem Druck siedet bei <100 °C, aber in einer Heatpipe hat Wasser keinen atmosphärischen Druck. Der Innendruck der Heatpipe ist der Sättigungsdruck der Flüssigkeit bei der entsprechenden Flüssigkeitstemperatur. Die Flüssigkeit in einer Heatpipe kocht bei jeder Temperatur über ihrem Gefrierpunkt. Bei Zimmertemperatur (20 °C) steht eine Wasser-Heatpipe daher unter Teilvakuum, und die Heatpipe kocht, sobald Wärme zugeführt wird.
Können Heatpipes einfrieren?
Ja, Heatpipe-Arbeitsfluids, einschließlich Wasser, behalten ihren normalen Gefrierpunkt bei. Heatpipes funktionieren erst dann, wenn die Temperatur über die Gefriertemperatur des Fluids steigt. Ordnungsgemäß ausgelegte Heatpipes werden jedoch durch das Einfrieren oder Auftauen des Arbeitsfluids nicht beschädigt. Boyd hat erfolgreich frosttolerante Heatpipes entworfen, entwickelt und hergestellt, die über mehr als 20 Jahre nachgewiesene und nachgewiesene Erfahrung in der Feldanwendung verfügen.
Welche Alarmfunktionen für Wärmetauscher bieten Sie an? Wie?
Temperaturregelung, Drehzahlregelung und Ventilatorausfallalarm können in jeden Wärmetauscher integriert werden. Diese Funktionen können durch den Einbau einer Halbleiter-Steuerplatine und/oder durch die Integration der Funktion in den Lüfter selbst bereitgestellt werden.
Wie dichtet man das Kernelement der Boyd HXi-Wärmetauscherserie® ab?
Boyd verwendet ein RTV-Dichtmittel, um eine kohäsive Dichtung sowohl um die innere Kernkassette als auch um die Kernflanschbaugruppe zu gewährleisten. Jede Innenkernkassette und jede Kernflanschbaugruppe wird einer Vakuumprüfung unterzogen, um die NEMA 4-Bedingungen zu simulieren.
Können die Lamellen in einem HX® zum Schutz der Umwelt beschichtet werden?
Ja, die typische Beschichtung ist entweder ein sechswertiges Chromat oder ein RoHS-konformes klares Chromat. Beschichtungen wie Herresit oder E-Coat können auf Wärmetauschern aufgebracht werden, um die Einheit vor Umwelteinflüssen zu schützen (es gelten Mindestmengen).
Was ist der Unterschied zwischen den HX®-, HXi®- und HXc®-Technologien?
Jede Technologie hat ihre eigenen Vorteile hinsichtlich Größe, Effizienz, Anpassungsfähigkeit und Leistungsvermögen. Erlauben Sie Boyd, die Anwendung zu überprüfen, um eine großartige Lösung zu empfehlen.
Stellen Sie kundenspezifische Designs her?
Boyd nutzt ein breites Spektrum an Technologien, um vollständig optimierte, kundenspezifische Lösungen sowie unsere Standardangebote zu liefern.
Können Sie ein computergeneriertes Modell zur Verfügung stellen, wie Ihr Wärmetauscher in meiner Anwendung funktionieren wird?
Ja, Boyd können CFD-Programme (Computational Fluid Dynamics) wie SmartCFD verwenden, um die Leistung eines Wärmetauschers zu modellieren.
Warum sollten wir einen Wärmetauscher von Boyd kaufen?
Das Verständnis des gesamten Wärmekreislaufs ist entscheidend für den Erfolg eines Produkts. Boyd ist in der Lage, Wärmemanagementlösungen auf Komponenten-, Leiterplatten- und Systemebene zu entwickeln und herzustellen.
