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Heatpipe-Prinzip

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

23.08.2021

Letztes Update

17.08.2022

 

Definition und Anwendung des Heatpipe-Prinzips

Inhalt des Wiki-Artikels

Das Heatpipe-Prinzip wird zum Transport von Wärmeenergie genutzt. Dabei wird die Wärme über Röhrenkörper – sogenannte Heatpipes – geleitet. Das Heatpipe-Prinzip kommt in verschiedenen Bereichen zum Einsatz, zum Beispiel in der Elektronik, in der Automobiltechnik und in der Photovoltaik.

Was sind Heatpipes?

Heatpipes sind Wärmeröhren: in sich geschlossene, mit einer Flüssigkeit gefüllte Röhrenkörper, die dazu dienen, Wärme zu transportieren oder abzuleiten. Unter anderem wird das Heatpipe-Prinzip bei Vakuumröhrenkollektoren und zur Kühlung von Chips in Computern eingesetzt.

Eine gewöhnliche Heatpipe besteht aus zwei Bereichen, einer warmen und einer kalten Zone. Im warmen Bereich nimmt die Trägerflüssigkeit – großteils handelt es sich um destilliertes Wasser – Wärme auf und verdampft. Der Dampf steigt in die kalte Zone auf und gibt dort die Wärme beim Kondensieren ab. Die Flüssigkeit landet wieder in der warmen Zone. Auf diese Weise wird latente Wärme übertragen, das bedeutet: Der Temperaturbereich in der Heatpipe ändert sich kaum, es wird lediglich Verdampfungs- und Kondensationswärme übertragen.

Heatpipes weisen ein Transportvermögen auf, das weit über dem von massiven Wärmeleitungen liegt. Eine Heatpipe mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern kann unter Idealbedingungen mehrere Kilowatt (kW) Wärmeleistung übertragen.

Vor- und Nachteile des Heatpipe-Prinzips

Bereits 1944 ließ sich der amerikanische Ingenieur Richard S. Gaugler das Heatpipe-Prinzip patentieren. Durchsetzen konnte sich das Prinzip zu jener Zeit nicht. Erst 1963 keimte Interesse daran auf, als im Rahmen des US-Raumfahrprogramms nach effizienten passiven Wärmetransportmöglichkeiten gesucht wurde. Das Heatpipe-Prinzip bringt verschiedene Vorteile mit sich:

  • Ableitung von Wärme bei geringer Temperaturdifferenz (ca. 5 °C)
  • Hocheffiziente Wärmeübertragung durch Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie
  • Flexibilität in der Anwendung, z. B. lässt sich eine Heatpipe biegen und leicht verformen
  • Viele Möglichkeiten bei der Dimensionierung und Verarbeitung (wie biegen, kleben, klemmen, löten)

Ein Nachteil von Heatpipes besteht darin, dass Fachwissen für die Anfertigung und die Installation erforderlich ist. Auch versierte Heimwerker und Bastler ziehen besser eine Fachkraft hinzu, wenn sie zum Beispiel die Funktion einer Heatpipe in einem Vakuumröhrenkollektor überprüfen oder den Computer mit Heatpipes kühlen möchten. Heatpipes selber bauen sollte man auf keinen Fall, da es sich um geschlossene Systeme handelt, in denen sich der Wärmeeintrag direkt auf den Druck auswirkt. Beim Überschreiten eines kritischen Drucks können die Wärmerohre explodieren. Auch empfiehlt es sich nicht, Heatpipes selbst in die gewünschte Endform zu biegen, um Kosten beim Kauf zu sparen. Denn leicht tritt ein Druckverlust, eine Leckage oder ein Leistungsausfall bei einer Heatpipe auf, wenn sie nicht fachgerecht in Form gebracht wird.

Heatpipes im Vakuumröhrenkollektor

Das Heatpipe-Prinzip wird bei Solaranlagen genutzt. In einigen Sonnenkollektoren, vor allem in Vakuumröhrenkollektoren, transportieren Heatpipes die Wärme vom Strahlungsabsorber zur Solarflüssigkeit, einem flüssigen Medium zur Wärmeübertragung. Der Einsatz von Heatpipes in Vakuumröhrenkollektoren hat zahlreiche Vorteile:

  • Schon eine geringe Sonneneinstrahlung reicht aus, damit die Flüssigkeit in der Heatpipe verdampft.
  • Die Solarflüssigkeit muss nicht durch die Vakuumröhren geführt werden, so dass die Abdichtung einfacher und nachhaltiger ist.
  • Die Lebensdauer des Kollektors erhöht sich mit der Verbesserung der Abdichtung, da so dass Vakuum länger erhalten bleibt.
  • Effiziente Stromerzeugung über viele Jahre hinweg.

Das Heatpipe-Prinzip in Fahrzeugen

In Fahrzeugen wird das Heatpipe-Prinzip für verschiedene Zwecke eingesetzt. Unter anderem wird es zur Wärmerückgewinnung genutzt. Dabei wird eine Heatpipe von der Abgaswärme erhitzt, die auf diese Weise zurückgewonnene Wärme kann zum Beispiel zum Heizen des Innenraums dienen. Dies hat den Vorteil, dass ein Auto bereits direkt nach dem Starten beheizt werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, mit dem Heatpipe-Prinzip das Kühlwasser für den Motor nach einem Kaltstart schneller in den idealen Temperaturbereich zu bringen.

Computer mit Heatpipes kühlen

In der Computertechnik dienen Heatpipes dazu, die Zentraleinheit von Rechnern – die sogenannte CPU – oder leistungsstarke Grafikchips zu kühlen. Die anfallende Abwärme wird über die Wärmerohre zur Außenfläche oder zu einem Lüfter transportiert. Entscheidend ist, dass beim Heatpipe-Prinzip nur eine geringe Temperaturdifferenz vorliegt, denn einerseits dürfen die Chips nicht zu heiß werden. Andererseits wäre der Wärmeabtransport nicht effektiv, wenn die Temperatur im Gehäuse oder bei einem Lüfter kaum von der Umgebungstemperatur abweicht. Heatpipes haben gegenüber herkömmlichen Kühlern einige Vorteile:

  • Sie sind effektiver, besonders bei höheren Wärmeleistungen
  • Einfache Handhabung
  • Sicherer im Gebrauch als z. B. eine Wasserkühlung

Darüber hinaus ist das Heatpipe-Prinzip geeignet, um Wärme von LED-Chips und LED-Modulen abzuleiten. Dies hat den Hintergrund, dass durch die hohe Lichtausbeute von LEDs die Wärmeentwicklung ansteigt, wodurch sich die Lebensdauer der Leuchtdioden verringert.

Die für die Elektronikbranche gefertigten Heatpipes erreichen bei rund 90 °C ihren maximalen Wirkungsgrad. In anderen Bereichen liegt der maximale Wirkungsgrad des Heatpipe-Prinzips oft bei 130 °C, doch in der Elektronik muss die Wärmeverträglichkeit der Bauteile miteinbezogen werden. Mit Hilfe der Flüssigkeit und dem Unterdruck im Inneren ist es möglich, eine Heatpipe zu justieren, um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Weitere Beispiele für das Heatpipe-Prinzip in der Praxis

Das Heatpipe-Prinzip findet in vielen weiteren Bereichen Anwendung. Es gibt sogar spezielle Erdwärmesonden, die nach dem Heatpipe-Prinzip arbeiten. In der Sonde wird CO2 verdampft und nimmt dabei Wärme auf. Oben in der Erdwärmesonde kondensiert das CO2 und gibt die thermische Energie über einen Wärmeübertrager ab. In der Praxis kommt das Heatpipe-Prinzip außerdem bei diesen Prozessen zum Einsatz:

  • Biomassevergasung
  • Winderhitzung für Hochöfen
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