1.15 Effektive Wärmeleitfähigkeit und CFD-Implementierung einer Heatpipe

Heatpipes weisen aufgrund ihrer Bauweise eine gewaltige effektive Wärmeleitfähigkeit auf und sind in der heutigen Zeit nicht mehr aus elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops wegzudenken. Sie haben jedoch auch für andere technische Anwendungen grosses Potential. Somit ist es essenziell, deren Wärmetransporteigenschaften genau zu kennen und eine genaue, aber möglichst simple Implementierung in CFD-Modellen zu realisieren.

Mitwirkende: S. Ehrat, T. Hocker Partner: Wöhner GmbH Finanzierung: Masterthesis Dauer: 2020–2021

Abbildung 1 zeigt den Testaufbau zum Ausmessen von Heatpipes. Mittels einer temperaturgeregelten Heizpatrone, welche in einem Kupferblock sitzt, wurde die Heatpipe am rechten Bildrand beheizt. Am gegenüberliegenden Ende der Heatpipe ist ein Aluminiumkühlkörper angebracht, welcher die Wärme an die Umgebung abführt. Dies geschieht entweder rein über Naturkonvektion und Wärmestrahlung oder durch Einschalten des Lüfters am linken Bildrand mittels erzwungener Konvektion. Die Temperatur wird mithilfe Thermoelemente des Typ K an acht unterschiedlichen Stellen geloggt, siehe Abbildung 1. Um die Wärmeübertragung zwischen Kupferblock und Heatpipe sowie Heatpipe und Kühlrippen bestmöglich zu gewährleisten, sind alle Kontaktflächen mit Wärmeleitpaste versehen und gegeneinander verspannt. Die Temperaturfühler sind mittels Aluminiumklebeband an der Oberfläche befestigt. Weiter ist unter dem Klebeband ein wenig Wärmeleitpaste, um den Einfluss von Lufteinschlüsse zu minimieren.

Abb. 1: Testaufbau zum Ausmessen der eff. Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe; Kupferblock mit Heizpatrone (Rechts), Heatpipe (Mitte), Kühlrippen (Links), Lüfter für erzwungene Konvektion (Links); Bezeichnungen der T-Messpunkte oberhalb Grafik.

Die CFD-Implementierung des Testaufbaus wurde in ANSYS CFX realisiert. Um die Simulationsumgebung zu vereinfachen, ist die Heizquelle ist als Randtemperatur im Kupferblock definiert. Die Heatpipe selbst ist in zwei Gebiete aufgeteilt, eine Hülle aus Kupfer und einen Innenraum für das Arbeitsmedium. Diese Aufteilung widerspiegelt den echten Aufbau einer Heatpipe und liegt somit nahe an der Realität. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis einer Steady-StateSimulation mit erzwungener Konvektion und einer Heiztemperatur von 100 °C. Die Heatpipe weist über die gesamte Länge einen Temperaturabfall von 56 °C auf und induziert einen Wärmestrom von 43.6 Watt.

Abb. 2: Darstellung der CFD-Simulationsergebnisse mit 100 °C Heizungstemperatur und erzwungener Konvektion erzeugt durch einen PC-Lüfter. Die Oberflächentemperaturen sind farblich und die Luftströmung in schwarz-weiss dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der Validierung des CFD-Modells für den Betrieb der Heatpipe mit und ohne Lüfter. Die Temperaturen an den Messstellen TC 1 und TC 8 weisen eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation auf. Somit ist die verwendete Wärmeleitfähigkeit, welches der einzige Fitparameter im CFD-Modell ist, als validiert zu betrachten. Die tiefere Temperatur von TC 8 bei erzwungener Konvektion deutet auf eine Austrocknung der Heatpipe im Bereich des Kupferblockes hin, was zu einer Reduktion der effektiven Wärmeleitfähigkeit führt. Bei der Wärmeabfuhr über natürliche Konvektion und Strahlung erreicht das Arbeitsmedium im Innenraum der Heatpipe eine effektive Wärmeleitfähigkeit von 50'000 W/(m*K). Diese Leitfähigkeit reduziert sich bei erzwungener Konvektion auf einen Wert von 4'440 W/(m*K), weil die Heatpipe an ihre Leistungsgrenze stösst.

Abb. 3: Validierung des CFD-Modells für 100 °C Heizungstemperatur und 23 °C Raumtemperatur mit und ohne Lüfterbetrieb. TC 1 bezeichnet die Messtelle an der Heizung, TC 8 diejenige an den Kühlrippen.