mini|Querschnitt durch eine Heatpipe. Die Kapillarwirkung wird durch ein eingelegtes Kupferdrahtgeflecht erzeugt.
Ein Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung der Verdampfungswärme (Verdampfungsenthalpie) eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche übertragen werden.
Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden: der Heatpipe und dem Zwei-Phasen-Thermosiphon. Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich; der Unterschied liegt im Rücktransport des flüssigen Arbeitsmediums zum Verdampfer, d. h. zu der Stelle, an der Wärme zugeführt wird. Der Rücktransport erfolgt bei beiden Bauformen passiv und damit ohne Hilfsmittel wie etwa einer Umwälzpumpe.
Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als der von Metallen. Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsänderung sehr nah. Es herrscht eine beinah konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs. Bei gleicher Übertragungsleistung sind deswegen wesentlich leichtere Bauweisen als bei herkömmlichen Wärmeübertragern unter gleichen Einsatzbedingungen möglich. Durch geschickte Wahl des Arbeitsmediums des Wärmerohrs können Einsatztemperaturen von wenigen Kelvin bis ca. 3000 Kelvin erzielt werden.M. Groll: Wärmerohre als Bauelemente in der Energietechnik. In: W. Fratzscher, K. Stephan (Hrsg.): Abfallenergienutzung : technische, wirtschaftliche und soziale Aspekte. Akad.-Verlag, Berlin 1995, ISBN 3-05-501706-4, S. 84. (edoc.bbaw.de; PDF; 3,1 MB).
Die Fähigkeit, Energie zu transportieren, hängt bei einem Wärmerohr maßgeblich von der spezifischen Verdampfungsenthalpie (in kJ/mol oder kJ/kg) des Arbeitsmediums ab und nicht von der Wärmeleitfähigkeit von Gefäßwand oder Arbeitsmedium. Aus Effizienzgründen wird ein Wärmerohr meist am warmen Ende nur knapp über und am kalten Ende nur knapp unter der Siedetemperatur des Arbeitsmediums betrieben.
Funktion und Unterscheidung mini|Arbeitsprinzip eines Thermosiphons. Aufbau und Funktionsprinzip Wärmerohre sind meist metallene Gefäße länglicher Form, welche ein hermetisch gekapseltes Volumen enthalten. Sie sind mit einem Arbeitsmedium (z. B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt, welches das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren Teil im gasförmigen Zustand ausfüllt.
Die Stelle des Gefäßes, welche der Energieaufnahme dient, heißt Verdampfer, diejenigen, welche der Energieabgabe dienen, heißen Kondensator. Der Verdampfer kann sich an einem Ende oder in der Mitte befinden.
Wärmeeintrag erhöht die Temperatur von Gefäß und Arbeitsmedium so lange, bis der Siedepunkt des Arbeitsmediums erreicht ist; ab da beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen; die Temperatur steigt nicht mehr; die gesamte zugeführte Energie wird stattdessen in die Verdampfungsenthalpie umgesetzt. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Wärmerohr lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf beginnt sich im gesamten verfügbaren Volumen zu verteilen, d. h. er strömt überall dahin, wo der Druck niedriger ist; an den Stellen, wo seine Temperatur den Siedepunkt des Arbeitsmediums unterschreitet, kondensiert er. Dazu muss der Dampf Energie an das Gefäß und das Gefäß an die Umgebung abgeben. Am stärksten geschieht dies an der Stelle, wo der Kondensator liegt, in dem aktiv gekühlt werden kann. Die Temperatur sinkt nun nicht mehr, bis die gesamte enthaltene Kondensationsenthalpie an die Umgebung abgegeben worden ist. Der jeweils flüssige Anteil des Arbeitsmediums kehrt durch Schwerkraft (Thermosiphon) bzw. durch Kapillarkräfte (Heatpipe) zum Verdampfer zurück. Damit letzteres funktioniert, muss dort der Anteil an Arbeitsmedium im flüssigen Aggregatzustand geringer sein.
mini|Beispiel kapillaren Flusses in einem Backstein, zu der Seite hin, wo weniger Flüssigkeit vorhanden ist (hier gegen die Schwerkraft nach oben). Im Wärmerohr wäre oben die Wärmequelle, wo wenig Flüssigkeit vorhanden ist, unten viel Flüssigkeit, weil dort durch die Abkühlung Kondensation stattfindet. Dampf strömt zur Kühlzone, ein Kondensationsfilm fließt/strömt/kriecht zurück. Treibende Kraft ist die Adhäsionskraft, der Effekt wird beschrieben unter Kapillarität. Siehe dazu nebenstehendes Bild.
Da sich Dampf und Flüssigkeit des Arbeitsmediums im selben 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 mit meist wenigen Pascal sehr gering sind, ist die sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator auch gering und beträgt maximal wenige Kelvin. 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 der Verdampfungs- bzw. Kondensationsenthalpie stattfindet, beschränkt sich der Einsatzbereich eines Wärmerohrs auf den Bereich zwischen der Schmelztemperatur und der Temperatur des kritischen Punkts des Arbeitsfluids. Alle Kräfte, die auf das Arbeitsmedium wirken, beeinflussen zudem die tatsächliche Wärmetransportleistung. Die Schwerkraft kann die Kapillarkräfte in Heatpipes ergänzen oder teilweise aufheben. In rotierenden, als Wärmerohr aufgebauten Hohlwellen wirkt auch die Zentrifugalkraft.
Unterscheidung Bei schwerkraftgetriebenen Wärmerohren (Zwei-Phasen-Thermosiphon oder auch Gravitationswärmerohre) kreist das Medium aufgrund der Schwerkraft. Dadurch fließt das Wärmeträgermedium selbstständig in den Verdampfer zurück. Die Wärme wird oft nur über den Sumpf, also bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels, zugeführt. Dies ist von der Filmbildung durch das zurückfließende (flüssige) Medium abhängig. Sind Thermosiphons in flacher Neigung ausgerichtet, können sie, falls das kondensierte Medium nicht schnell genug zurückfließt, austrocknen.
Heatpipes nutzen das Dochtprinzip, um das kondensierte Fluid zurück zum Verdampfer zu führen. Der Prozess ist dadurch lageunabhängig; Heatpipes arbeiten auch unter Schwerelosigkeit. Sie neigen, im Vergleich zu Thermosiphons, kaum zum Austrocknen, da der Flüssigkeitsstrom durch die Kapillare maßgeblich verbessert wird, was zu einem höheren übertragbaren Wärmestrom führt. Die Kapillarstruktur sorgt außerdem dafür, dass, anders als beim Thermosiphon, die Wärme überall und über eine beliebige Höhe zugeführt werden kann. Verwendung finden Heatpipes überall dort, wo hohe Wärmestromdichten in beliebiger Orientierung gefordert sind.W. M. Rohsenow: Handbook of Heat Transfer. Mcgraw-Hill Publ.Comp., 1998, ISBN 0-07-053555-8.
Arbeitsmedien mini|hochkant=1.4|Verdampfungstemperaturen (druckabhängig) einiger Stoffe in Wärmerohren Die Arbeitsfähigkeit des Arbeitsmediums in einem Wärmerohr hängt sowohl von thermodynamischen Eigenschaften wie der Verdampfungsenthalpie als auch von strömungstechnischen Eigenschaften wie der kinematischen Viskosität und der Oberflächenspannung ab. Dabei sollen die Oberflächenspannung und die Verdampfungsenthalpie möglichst groß und die Viskosität möglichst gering sein. Damit lässt sich also der für den Arbeitspunkt optimale Wärmeträger ermitteln.
Die Merit number (Merit-Zahl, Me) als spezifische Leistungsgröße kann berechnet werden als:
Ihre Einheit ist also Watt pro Quadratmeter; Me entspricht aber keiner echten Wärmestromdichte.
Die Merit-Zahl soll im angegebenen Arbeitsbereich (Temperatur, Wärmestromdichte) des Wärmerohrs möglichst groß sein, damit auch die Wärmeübertragung des Wärmerohrs möglichst groß ist. Zu beachten ist, dass diese Eigenschaften von der Temperatur abhängig sind. Im Normalfall wird Me für mehrere mögliche Wärmeträger ermittelt und sie dient dann als Entscheidungshilfe zur Wahl des richtigen Mediums.
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 340 °C aus. (Vgl. Kritischer Punkt von Wasser bei 374 °C.) Ab 400 °C Temperatur spricht man 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 des Wärmerohrs beschränkt.A. Faghri: Heat Pipe Science and Technology. Taylor and Francis, 1995, ISBN 1-56032-383-3.
Materialien In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen kommen verschiedene Materialien zum Einsatz. Dabei spielt auch das Verhalten des Wärmeträgers gegenüber dem Material eine Rolle. Beispielsweise löst Natrium Bestandteile aus Stählen heraus, was über längere Zeit zum Versagen eines Wärmerohrs führen würde.
Heatpipe In den unteren Temperaturbereichen kommt meist Kupfer zum Einsatz, da es leicht formbar ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei Hochtemperatur-Heatpipes kommen hauptsächlich warmfeste Stähle wie 1.4841 oder Nickelbasislegierungen zum Einsatz. 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. Im Versuchsstadium ist auch Graphen, welches in Laborversuchen eine 3,5fach bessere Wärmeableitung mit 7230 W/(m²·K) gezeigt hat, als Kupfer mit 2053 W/(m²·K). Diese Heatpipes sind wesentlich leichter und korrosionsbeständiger, aber auch teurer.
Thermosiphon Für Anwendungen im Bauwesen werden Thermosiphons meist aus herkömmlichen Baustählen gefertigt.
Geschichte und Entwicklung Eine erste Heatpipe wurde 1944 patentiert. 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.L. Trefethen: 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. Auch heute noch werden Heatpipes zur Kühlung der sonnenzugewandten Seite von Satelliten benutzt. Die erste Hochtemperatur-Heatpipe wurde 1964 vorgestellt.G. M. Grover, T. P. Cotter, G. F. Erikson: Structures of Very High Thermal Conductivity. In: J. Appl. Phys. 35, 1964, S. 1990. Seitdem wurden die physikalischen Beschreibungen wie die Eigenschaften bestimmter Wärmeträger, Kapillarstrukturen und die analytische Beschreibung von Heatpipes, deutlich erweitert.
Anwendung 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 integrieren.
Wesentlich früher, in den 1960er Jahren, wurden Wärmerohre bereits in der Raumfahrttechnik eingesetzt. Vor allem bei Satelliten wird durch Einsatz von Heatpipes der Temperaturgradient zwischen sonnenzugewandter und -abgewandter Seite minimiert.