Ein Wärmerohr liefert eine sehr hohe effektive Leitfähigkeit — das Hundertfache von Kupfer —, weil das Arbeitsmedium an einem Ende verdampft und am anderen kondensiert. Es wird in der Elektronikkühlung, in der Thermalregelung von Raumfahrzeugen und überall von Laptops bis zu Leistungsmodulen eingesetzt.
Praktische Modellierung: Ersatzleitfähigkeit
In industriellen Analysen wird das Innere eines Wärmerohrs nicht gelöst. Das Rohr wird als Festkörper mit sehr hoher und anisotroper Leitfähigkeit abgebildet: sehr hoch entlang der Achse und quer dazu die tatsächliche Leitfähigkeit des Wandwerkstoffs.
Diese Vereinfachung ist auf Systemebene richtig und macht die Rechnung eine Größenordnung billiger.
Aber sie ist nicht unbegrenzt: Transportgrenzen
Die Leistung, die ein Wärmerohr übertragen kann, ist begrenzt, und oberhalb dieser Grenze trocknet der Verdampfer aus und die effektive Leitfähigkeit bricht zusammen. Die wichtigsten Grenzen:
- Kapillargrenze. Der Docht kann das Kondensat nicht zurückführen. Das ist in Einbaulagen gegen die Schwerkraft (Verdampfer oben) am einschränkendsten.
- Siedegrenze. Zwischen Wand und Docht setzt Sieden ein und unterbindet den Flüssigkeitsrücklauf.
- Schall- und Viskositätsgrenze. Bei niedrigen Betriebstemperaturen wird die Dampfströmung selbst begrenzend.
Wenn Sie im Modell eine feste Ersatzleitfähigkeit verwenden, müssen Sie nach der Lösung prüfen, dass die in das Rohr eintretende Leistung unter der Grenze bleibt. Sonst zeigt das Modell ein in Wahrheit zusammengebrochenes Bauteil als einwandfrei arbeitend.
Einbaulage und Temperaturbereich
Die Leistung eines Wärmerohrs hängt vom Einbauwinkel ab; dasselbe Produkt ist auf dem Tisch liegend nicht dasselbe wie an der Wand montiert. Jedes Arbeitsmedium hat zudem einen nutzbaren Temperaturbereich — darunter reicht der Dampfdruck nicht aus, darüber wird der Druck zu einem Festigkeitsproblem.
Die verwendete Ersatzleitfähigkeit, die angenommene Einbaulage und die Prüfung der Grenze gehören gemeinsam in den Bericht.
Referenzen
- JEDEC Solid State Technology Association. JESD51 — Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device).
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605