Wärmerohr

Grundidee und Funktionsweise

Ein Wärmerohr ist ein passiver Wärmeübertrager, der große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche transportiert. Entscheidend ist dabei nicht hauptsächlich die Wärmeleitfähigkeit der Gefäßwand, sondern die Verdampfungsenthalpie des eingeschlossenen Arbeitsmediums. Der Wärmewiderstand ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als bei Metallen; deshalb bleibt die Temperatur entlang des Rohrs nahezu konstant. Je nach Arbeitsmedium sind Einsatztemperaturen von wenigen Kelvin bis etwa 3000 K möglich.

Das meist längliche, metallene Gefäß ist hermetisch geschlossen. Es enthält ein Arbeitsmedium wie Wasser oder Ammoniak, zu einem kleinen Teil als Flüssigkeit und überwiegend als Gas. Der Bereich der Wärmeaufnahme heißt Verdampfer, der Bereich der Wärmeabgabe Kondensator. Der Verdampfer kann am Ende oder in der Mitte liegen.

Am Verdampfer wird das Medium bis zum Siedepunkt erwärmt. Danach steigt seine Temperatur zunächst nicht weiter; die zugeführte Energie wird als Verdampfungsenthalpie aufgenommen. Der entstehende Dampf erhöht lokal den Druck und strömt wegen des kleinen Druckgefälles zu kühleren Stellen. Dort kondensiert er und gibt seine Kondensationsenthalpie über die Gefäßwand an die Umgebung ab. Anschließend kehrt die Flüssigkeit zum Verdampfer zurück. Eine Pumpe ist nicht nötig.

Dampf und Flüssigkeit befinden sich gemeinsam im Nassdampfgebiet. Zu einem bestimmten Druck gehört dort eine bestimmte Temperatur. Weil die Druckunterschiede meist nur wenige Pascal betragen, liegt die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator bei höchstens wenigen Kelvin; der dazwischenliegende Bereich ist praktisch isotherm. Der mögliche Einsatzbereich liegt zwischen der Schmelztemperatur und der Temperatur des kritischen Punkts des Arbeitsfluids. Schwerkraft, Kapillarkräfte und bei rotierenden Hohlwellen auch Zentrifugalkraft beeinflussen die Leistung.

Bauformen, Arbeitsmedien und Materialien

Beim Zwei-Phasen-Thermosiphon oder Gravitationswärmerohr fließt das Kondensat durch die Schwerkraft zurück. Deshalb ist die Einbaulage wichtig. Bei flacher Neigung kann das Rohr austrocknen, wenn das Kondensat nicht schnell genug zum Verdampfer gelangt. Thermosiphons für das Bauwesen bestehen meist aus herkömmlichen Baustählen.

Eine Heatpipe nutzt dagegen einen Docht beziehungsweise eine Kapillarstruktur, etwa ein Kupferdrahtgeflecht oder Rillen. Adhäsion und Kapillarwirkung ziehen die Flüssigkeit zu dem trockeneren Verdampfer zurück, auch gegen die Schwerkraft. Dadurch arbeitet die Heatpipe lageunabhängig und sogar in Schwerelosigkeit. Sie trocknet weniger leicht aus, kann höhere Wärmeströme übertragen und erlaubt die Wärmezufuhr über beliebige Höhen.

Für die Auswahl des Arbeitsmediums sind vor allem die Verdampfungsenthalpie Δh_v, die Oberflächenspannung σ und die kinematische Viskosität ν_l wichtig. Hohe Verdampfungsenthalpie und Oberflächenspannung sowie geringe Viskosität sind günstig. Die Merit-Zahl lautet: Me = (σ · Δh_v) / ν_l. Ihre Einheit ist Watt pro Quadratmeter, sie ist aber keine echte Wärmestromdichte. Da alle Größen temperaturabhängig sind, wird Me für den vorgesehenen Arbeitsbereich und mehrere mögliche Medien verglichen.

Helium oder Stickstoff decken sehr niedrige Temperaturen nahe 0 K bis etwa −20 °C ab. Darüber werden beispielsweise Ammoniak oder Kältemittelgemische verwendet. Wasser eignet sich ab 0 °C und kann bei ausreichender Druckfestigkeit bis etwa 340 °C eingesetzt werden; sein kritischer Punkt liegt bei 374 °C. Ab 400 °C spricht man von Hochtemperatur-Heatpipes, für die besonders Alkalimetalle wie Natrium und Lithium geeignet sind. Die obere Grenze wird vor allem durch die Festigkeit des Rohrmaterials bestimmt.

Bei niedrigen Temperaturen wird meist gut formbares, wärmeleitfähiges Kupfer verwendet. Hochtemperatur-Ausführungen bestehen vor allem aus warmfesten Stählen wie 1.4841 oder Nickelbasislegierungen. Rillen besitzen einen geringen Strömungswiderstand; bei Hochtemperatur-Heatpipes werden wegen der hohen Dichte des Mediums oft engmaschige Drahtgewebe eingesetzt. Material und Medium müssen chemisch verträglich sein: Natrium kann beispielsweise Bestandteile aus Stahl lösen. Graphen zeigte im Labor eine 3,5-fach bessere Wärmeableitung mit 7230 W/(m²·K) gegenüber Kupfer mit 2053 W/(m²·K); solche Heatpipes sind leichter und korrosionsbeständiger, aber teurer.

Anwendungen

Wärmerohre werden eingesetzt, wenn Wärme passiv, leicht und räumlich getrennt von ihrer Entstehung abgeführt werden soll. Eine erste Heatpipe wurde 1944 patentiert, fand aber zunächst keine sinnvolle Anwendung. Mit der Raumfahrt der 1960er Jahre wurde die Idee wieder aufgegriffen; 1964 wurde die erste Hochtemperatur-Heatpipe vorgestellt.

In PCs und Notebooks verbinden Heatpipes Prozessor oder Grafikprozessor mit einem räumlich entfernten Kühlkörper und Ventilator. Dadurch lassen sich Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe entkoppeln, Abwärme gezielt in den Luftstrom der Gehäuselüfter führen und flachere Geräte mit leistungsstärkeren Grafikprozessoren bauen. Gegenüber einer Wasserkühlung ist keine zusätzliche, Geräusche verursachende Umwälzpumpe erforderlich.

Im Bauwesen stabilisieren Wärmerohre Permafrostboden. Seit den 1970er Jahren schützen sie die Fundamente der Trans-Alaska-Pipeline: Das 40–80 °C warme Öl könnte den Boden über die Stahlpfähle auftauen, die Pfähle absinken lassen und die Pipeline verformen. Kühlrippen geben die Wärme an die kalte Umgebungsluft ab; Thermosiphons entziehen dem Boden im Winter zusätzlich Wärme. Entsprechende Systeme werden auch an der Lhasa-Bahn und in der Ekati-Diamantenmine eingesetzt. Weitere Anwendungen sind pumpenlose Kohlenstoffdioxid-Erdwärmesonden, Vakuumröhrenkollektoren, Wärmerückgewinnungsanlagen und Wärmeüberträger. Bei der allothermen Biomassevergasung übertragen Wärmerohre Wärme bei etwa 850 °C nahezu verlustfrei, sodass Hackschnitzel direkt zu Holzgas umgesetzt werden können.

In Kraftfahrzeugen werden teilweise hohle Auslassventile mit Natrium gefüllt. Das im Betrieb geschmolzene Natrium transportiert durch die Ventilbewegung Wärme vom stark belasteten Ventilteller zum Ventilschaft. Steuerbare Heatpipes können außerdem Abwärme des mehrere hundert Grad Celsius heißen Abgasstrangs, der Leistungselektronik, erhitzter Oberflächen oder des Kühl- und Klimakreislaufs zur Innenraumklimatisierung, Sitzheizung sowie zur Erwärmung von Kühlwasser, Motoröl oder Batterien nutzen.

In Satelliten vermindern Heatpipes den Temperaturunterschied zwischen Sonnen- und Schattenseite, der stellenweise 130 K erreichen kann. Aluminium eignet sich wegen seines geringen Gewichts, seiner Wärmeleitfähigkeit und seiner Kapillarstrukturen, dehnt sich aber mit 24·10^−6 K^−1 deutlich stärker aus als kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff mit 1·10^−6 K^−1 bis 3·10^−6 K^−1. Aluminium-Faserverbunde erreichen etwa 5·10^−6 K^−1 und verringern dadurch mechanische Spannungen.

Steuerung und physikalische Auslegung

Die Wärmeübertragung einer Heatpipe kann extern oder intern gesteuert werden. Bei der externen Steuerung enden zwei getrennte Heatpipes parallel in einem verschiebbaren Koppler aus Kupfer oder Aluminium. Die gemeinsame Kontaktfläche und damit die Wärmeleitung ändern sich linear mit der Einschubtiefe. Ein kleiner Motor kann den Koppler bewegen.

Intern kann eine Drossel oder ein Ventil den Hin- und Rückfluss des Mediums verändern. Eine drehbare Drossel ermöglicht eine stetige Regelung abhängig vom Stellwinkel, benötigt aber eine nach außen geführte Welle, die das hermetische Abdichten erschwert. Ein elektromagnetisch bewegtes Kugelventil mit Rückstellfeder kann den Wärmestrom weitgehend ein- oder ausschalten, aber nicht stetig regeln.

Die physikalische Auslegung beginnt mit der Wahl der Bauart und einem numerischen Modell. Gleichungen enthalten experimentell bestimmte Koeffizienten und berücksichtigen Kapillarstruktur, Medium, Dampfraum und Betriebstemperatur. Versuche kalibrieren das Modell und bestimmen die realen Grenzen. Bei Wärmerohren kleiner und mittlerer Leistung unter 1 kW sind die wesentlichen Gleichungen linear oder um einen Entwicklungspunkt linearisierbar; numerische Optimierung kann deshalb die Zahl der Versuche auf Kalibrierungstests reduzieren.

Wichtige Betriebsgrenzen sind: • Viskositätsgrenze: Knapp über dem Schmelzpunkt behindert die hohe Viskosität die Dampfströmung. • Schallgeschwindigkeitsgrenze: Der Dampfstrom kann nicht über die Schallgeschwindigkeit hinaus gesteigert werden. • Wechselwirkungsgrenze: Bei hohen Wärmestromdichten reißt Dampf Flüssigkeit mit; eine teilweise austrocknende Kapillare kann den Flüssigkeitsstrom unterbrechen. • Kapillarkraftgrenze: Die Strömungsverluste der Flüssigkeit übersteigen den verfügbaren Kapillardruck. • Siedegrenze: Blasensieden in der Kapillare hemmt oder stoppt den Flüssigkeitsstrom.

Optimierung und Schutz

Nanopartikel können den Temperaturwiderstand einer Heatpipe verringern. In Versuchen der Tamkang University führte eine wässrige Lösung mit 35 nm großen Silberteilchen zu einer Verbesserung von 10 % bis 80 %. Die Konzentration lag zwischen 1 mg und 100 mg pro Liter. Die Wirkung hängt von Bauart, innerer Struktur, Teilchengröße und Konzentration ab; bei kleineren Teilchen und geringerer Konzentration nahm der Temperaturwiderstand in den beschriebenen Tests zu.

Eine seit den 1990er Jahren verwendete nichtbenetzbare poröse Struktur trennt Dampf- und Kondensatstrom. Weil ihre Oberflächenspannung geringer als die des Kondensats ist, kann das Medium sie nur gasförmig durchdringen. Der Dampf gelangt durch sie in einen eigenen Kanal, während das Kondensat außen durch einen Kapillarkanal zurückfließt. So bremsen sich die entgegengesetzten Ströme weniger. Der Artikel kennzeichnet die Darstellung dieses Verfahrens allerdings als grundsätzlich überarbeitungsbedürftig.

Nanostrukturierte Kapillaren wurden 2008 von einem amerikanischen Forscherteam untersucht. Kleinere Poren erhöhen die mögliche Steighöhe der Flüssigkeit, besonders bei Wasser. Zu kleine Poren können den Flüssigkeitsstrom jedoch abbremsen oder ganz verhindern. Hinzu kommen herstellungsbedingte Inhomogenitäten und hohe Produktionskosten.

Ein 2005 als Gebrauchsmuster angemeldeter Überhitzungsschutz verwendet zwei dünne elastische Folien als Außenmantel. Steigt der Innendruck, wölben sie sich nach außen; der entstehende gasgefüllte Hohlraum verhindert mechanische Schäden und bildet zugleich einen thermischen Widerstand zur Wärmequelle. Dadurch sinkt die aufgenommene Wärme. Die Bauform ist kompakt, benötigt wegen der empfindlichen Hülle aber zusätzlichen mechanischen Schutz.

Der Arbeitsbereich kann durch ein reaktionsträges Puffergas erweitert werden. Nach dem Befüllen und Evakuieren wird damit ein definierter Innendruck eingestellt, der den druckabhängigen Siedepunkt verändert. Bei Quecksilber könnten Argon oder Helium dienen. Verunreinigungen sammeln sich in der Pufferzone, doch diese beansprucht Länge, die nicht für den Wärmetransport verfügbar ist.

Herstellung und Sicherheit

Bei der Herstellung muss der Innendruck so eingestellt werden, dass das Medium bei der gewünschten Temperatur siedet. Eine Möglichkeit ist die mechanische Evakuierung mit einer Vakuumpumpe und das anschließende hermetische Verschließen. Für Wasser ist beispielsweise ein sehr niedriger Druck nötig, um die Siedetemperatur bis auf Raumtemperatur zu senken.

Ein anderes Verfahren verdrängt unerwünschte Gase mit dem Arbeitsmedium selbst. Dazu werden ein Befüll- und ein Kühlrohr angebracht. Nach dem Einfüllen wird die Heatpipe erhitzt, sodass das Medium verdampft und nicht kondensierbare Gase durch das Befüllrohr hinaustreibt. Am Kühlrohr kondensiert das Arbeitsmedium und fließt durch Kapillarwirkung zurück, während die Fremdgase entweichen. Sobald sie vollständig ausgetrieben sind und die stationäre Grenze zwischen Luft und Wärmeträger am Befüllrohr liegt, wird dieses hermetisch verschlossen.

Wärmerohre sind geschlossene Volumina. Bei Wärmeeintrag führt die isochore Zustandsänderung unmittelbar zu einem Druckanstieg. Wird die zulässige Temperatur überschritten, kann es zu einer Dampfexplosion kommen, besonders bei der Weiterverarbeitung durch Löten. Viele Wärmerohre enthalten gesundheitsschädliche Stoffe. Sie dürfen daher nicht geöffnet und müssen fachgerecht entsorgt werden; durch das Öffnen verlieren sie in der Regel außerdem ihre Funktionsfähigkeit.