Heatpipe-Technologie

Was ist eine Heatpipe?

Heatpipes sind die am häufigsten verwendeten passiven, kapillargetriebenen Systeme der Zweiphasentechnik. Bei der zweiphasigen Wärmeübertragung handelt es sich um die Flüssig-Dampf-Phasenänderung (Kochen/Verdampfen und Kondensation) eines Arbeitsmediums. Der Branchenführer für Heatpipe-Technologie, Aavid, der Unternehmensbereich für Wärmetechnik der Boyd Corporation, ist seit 1970 auf die Konstruktion, Entwicklung und Herstellung von passiven, zweiphasigen Wärmeübertragungsgeräten spezialisiert.

Heatpipes haben eine extrem effektive hohe Wärmeleitfähigkeit. Während massive Leiter wie Aluminium, Kupfer, Grafit und Diamant Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 250 W/m•K bis 1.500 W/m•K aufweisen, haben Heatpipes effektive Wärmeleitfähigkeiten, die von 5.000 W/m•K bis 200.000 W/m•K reichen. Heatpipes übertragen Wärme von der Wärmequelle (Verdampfer) auf den Kühlkörper (Kondensator) über relativ lange Strecken durch die latente Verdampfungswärme eines Arbeitsmediums. Heatpipes haben typischerweise 3 Abschnitte: einen Verdampferabschnitt (Wärmeeintrag/Quelle), einen adiabatischen (oder Transport-) Abschnitt und einen Kondensatorabschnitt (Wärmeabgabe/Senke).

Schlüsselkomponenten einer Heatpipe

Die drei Hauptkomponenten einer Heatpipe sind:
•eine vakuumdichte, versiegelte Einschlusshülle oder ein Behälter

•Arbeitsmedium

•Kapillardochtstruktur

Sie alle arbeiten zusammen, um die Wärme effizienter und gleichmäßiger zu übertragen. Die Dochtstruktur überzieht die Innenfläche der Heatpipehülle und ist mit dem Arbeitsmedium gesättigt. Der Docht bietet die Struktur, um die Kapillarwirkung für die Flüssigkeit zu entwickeln, die vom Kondensator (Wärmeabgabe/Senke) zum Verdampfer (Wärmeeintrag/Quelle) zurückkehrt. Da die Heatpipe ein Vakuum enthält, siedet das Arbeitsmedium und nimmt bei Atmosphärendruck latente Wärme weit unter seinem Siedepunkt auf. Wasser beispielsweise kocht bei knapp über 273° K (0°C) und beginnt bei dieser niedrigen Temperatur, latente Wärme effektiv zu übertragen.

Heatpipehülle oder Einschlussbehälter

Heatpipes können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt werden. Aavid hat Heatpipes aus Aluminium, Kupfer, Titan, Monel, Edelstahl, Inconel und Wolfram konstruiert. Am häufigsten wird bei Elektronikkühlanwendungen Kupfer verwendet. Die Wahl des Heatpipe-Einschlussmaterials hängt stark von der Kompatibilität mit dem Arbeitsmedium ab.

Arbeitsmedien

Aavid hat Heatpipes mit mehr als 27 verschiedenen Arbeitsmedien entworfen, entwickelt und hergestellt. Die Wahl des Arbeitsmediums für die Heatpipe hängt vom Betriebstemperaturbereich der Anwendung ab. Die Palette der Arbeitsmedien reicht von flüssigem Helium für Anwendungen bei extrem niedrigen Temperaturen (-271 °C) bis hin zu Silber (>2.000 °C) für extrem hohe Temperaturen. Das gebräuchlichste Heatpipe-Arbeitsmedium ist Wasser für einen Betriebstemperaturbereich von 1 °C bis 325 °C. Niedertemperatur-Heatpipes nutzen Flüssigkeiten wie Ammoniak und Stickstoff. Hochtemperatur-Heatpipes verwenden Cäsium, Kalium, NaK und Natrium (873-1.473 °K).



Heatpipe-Arbeitsmedium

Betriebstemperaturbereich (°C)

Heatpipe-Hüllmaterial

Niedertemperatur- oder kryogene Heatpipe-Arbeitsmedien

Kohlendioxid

-50 bis 30

Aluminium, Edelstahl, Titan

Helium

-271 bis -269

Edelstahl, Titan

Wasserstoff

-260 bis -230

Edelstahl

Methan

-180 bis -100

Edelstahl

Neon

-240 bis -230

Edelstahl

Stickstoff

-200 bis -160

Edelstahl

Sauerstoff

-210 bis -130

Aluminium, Titan

Mitteltemperatur-Arbeitsmedien für Heatpipes

Azeton

-48 bis 125

Aluminium, Edelstahl

Ammoniak

-75 bis 125

Aluminium, Edelstahl

Ethan

-150 bis 25

Aluminium

Methanol

-75 bis 120

Kupfer, Edelstahl

Methylamin

-90 bis 125

Aluminium

Pentan

-125 bis 125

Aluminium, Edelstahl

Propylen

-150 bis 60

Aluminium, Edelstahl

Wasser

1 bis 325

Kupfer, Monel, Nickel, Titan

Hochtemperatur-Heatpipe-Arbeitsmedien

Cäsium

350 bis 925

Edelstahl, Inconel, Haynes

NaK

425 bis 825

Edelstahl, Inconel, Haynes

Kalium

400 bis 1.025

Edelstahl, Inconel, Haynes

Natrium

500 bis 1.225

Edelstahl, Inconel, Haynes

Lithium

925 bis 1.825

Wolfram, Niob

Silber

1.625 bis 2.025

Wolfram, Molybdän



Dochtstrukturen

Die Heatpipe-Dochtstruktur ist eine Struktur, die Kapillaren verwendet, um das flüssige Arbeitsmedium vom Kondensator- zurück zum Verdampferabschnitt zu bewegen. Heatpipe-Dochtstrukturen werden aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Zu den gebräuchlichsten Dochtstrukturen gehören: axiale Nuten an der inneren Heatpipe-Behälterwand, Sieb/Draht und „gesintertes Pulvermetall“. Andere fortschrittliche Heatpipe-Dochtstrukturen sind Arterien, bi-dispergiertes Sinterpulver und Verbunddochtstrukturen.

Aavid stellt alle gängigen Dochtstrukturen sowie die fortschrittlichen Dochtstrukturen her. Allerdings ist Aavid auf eine „gesinterte Pulvermetall-Dochtstruktur“ spezialisiert, die es der Heatpipe ermöglicht, die höchste Wärmeflussfähigkeit, die größte Unempfindlichkeit gegen Gravitationsorientierung und Frost-/Tau-Toleranz zu gewährleisten.

Aavid Heatpipe-Technologien für jede Anwendung

Eingebettete Heatpipe-Designs geben Ihnen eine Leistungssteigerung bei bestehenden Kühlkörpern um bis zu 50 % bei minimalen Designänderungen.

Dampfkammer-Kühlkörper mildern den Verteilungswiderstand und akzeptieren höhere Wärmeflüsse als herkömmliche feste Kühlkörper, wenn sie als Basis für einen Kühlkörper verwendet werden.

Die Heatpipe-Turmtechnologie verwendet eine Dochtstruktur und vertikale Kühlrippen, um Ihnen eine maximale Wärmeabfuhr bei minimalem Platzbedarf zu bieten.

Loop-Heatpipes haben keine Dochtstruktur in den Flüssigkeits- und Dampfleitungen. Sie sind ideal für Anwendungen, bei denen aufgrund des Abstands zwischen Wärmequelle und Kondensator herkömmliche Heatpipes unpraktisch sind, oder für Anwendungen mit hohen Gravitationskräften oder mit Stoß- und Schwingungsisolierungserfordernissen.

Axial gerillte Heatpipes sind Niedertemperatur-Heatpipes mit Flüssigkeiten wie Ammoniak und Propylen, die zur Wärmeverteilung über größere Entfernungen für Anwendungen wie die Satellitenwärmeregelung verwendet werden.

Isothermal Furnace Liners (IFL) sind Hochtemperatur-Heatpipes, die zur Erzeugung gleichmäßiger oder isothermer Temperaturen für Anwendungen wie Thermoelementkalibrierung und Halbleiterkristallzucht verwendet werden.



 

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