Schleifen-Thermosiphon
Veröffentlichungszeit:
2025-01-10 14:47
Quelle:
Schleifen-Thermosiphon
Der Thermosiphon (oder Thermosyphon) ist ein Verfahren des passiven Wärmeaustauschs, das auf natürlicher Konvektion beruht und eine Flüssigkeit ohne den Einsatz einer mechanischen Pumpe zirkuliert.
Ein Thermosyphon‑Kühlkörper umfasst vier Komponenten, die in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind: einen Verdampfer mit einer Struktur zur Verbesserung der Siedebedingungen, ein Steigrohr, einen Kondensator sowie ein Fallrohr. Im Verdampfer erfolgt die Verdampfung der Flüssigkeit, im Kondensator kondensiert der Dampf wieder zu Flüssigkeit; Steig- und Fallrohr verbinden diese Teile miteinander. Der Thermosyphon ist ein passives Wärmeübertragungsgerät, das zur Rückführung der Flüssigkeit zum Verdampfer die Schwerkraft nutzt. Die Wärme wird als Verdampfungswärme vom Verdampfer zum Kondensator übertragen. Er kann entweder als einziges Rohr oder als geschlossener Kreislauf ausgeführt werden. Schleifen-Thermosiphon Die Technologie zeichnet sich durch ihre Fähigkeit zur Wärmeübertragung über große Entfernungen und bei hohen Leistungen aus. Zudem kann sie zwei oder mehr Wärmequellen in einem einzigen Kreislauf versorgen.
Im Vergleich zu Aluminium kann die effektive Wärmeleitfähigkeit von Thermosiphonen das 50- bis 100-fache der reinen Aluminiumwärmeleitfähigkeit erreichen; ihre Wärmeleitfähigkeit liegt bei bis zu 8.000 bis 35.000 W/(m·K). Unter speziellen Hochleistungsbedingungen ist ihre Leistung sogar noch besser.
Im Vergleich zum Wärmerohr und zur gleichmäßig temperierten Ausführung liegt der Vorteil des Schleifen‑Thermosiphons in der Wärmeübertragung über lange Strecken bei hohen Leistungen und hoher Leistungsdichte (Leistungsdichte). Durch fachgerechte Auslegung und Planung ist es möglich, mehrere Heizelemente in einer einzigen Schleife in Reihe zu schalten. Die zulässige Leistungsdichte des Wärmerohrs und der gleichmäßig temperierten Ausführung beträgt etwa 10 bis 50 W/cm²; dagegen kann der Verdampfer eines Schleifen‑Thermosiphons problemlos 30 bis 80 W/cm² oder sogar 100 W/cm² aufnehmen, weshalb er sich besser für Anwendungen mit hoher Leistung und langen Wärmeübertragungsstrecken eignet.
Im Vergleich zum Wasserkühlsystem funktioniert das Schleifen‑Thermosiphon physikalisch und verfügt über eine relativ einfache Konstruktion. Es kann sich aufgrund des Druck‑ und Dichtegradienten beim Phasenwechsel des Kühlmittels ohne Pumpe selbst zirkulieren, wodurch nachfolgende Wartungs‑ und Ersatzarbeiten an mechanischen Pumpen entfallen und die Produktzuverlässigkeit erhöht wird; gleichzeitig lassen sich die Betriebskosten senken. Allerdings beruht sein Betrieb auf der durch die Schwerkraft unterstützten Fluidzirkulation. Ein stabiler Betrieb ist innerhalb eines bestimmten Neigungswinkels möglich, doch eine zuverlässige Leistungsfähigkeit bei vollständig beliebigen Neigungswinkeln ist bislang nicht realisierbar. Daher ist die Ausrichtung des Arbeitswinkels des Produkts bereits zu Beginn der Projektentwicklung mit dem Kunden abzustimmen.
Im Vergleich zu herkömmlichen zweiphasigen Wärmeübertragungssystemen (Wärmerohren und Dampfkammern) ist das Loop‑Thermosyphon leistungsfähiger, da Flüssigkeit und Gas im selben Rohr nicht gegeneinander strömen; dadurch ist die maximale Wärmeübertragungsleistung (Qmax) deutlich höher und der thermische Widerstand geringer.
Die kompakte Bauweise und die hohe Leistungsfähigkeit des Chipsatzes haben zu einer Nachfrage nach neuen, zuverlässigen Kühlmethoden geführt. Übliche Kühltechniken wie Wärmeleitung und erzwungene Konvektion sind nicht in der Lage, einen derart hohen Wärmestrom abzuführen. Die zunehmende Integration elektronischer Systeme erfordert eine verbesserte Kühllösung. Ein Wärmeabfuhrkörper auf Basis des Thermosiphon‑Prinzips stellt eine der besten Optionen dar.
Mit der Entwicklung der Künstlichen Intelligenz sowie der Big‑Data‑ und Cloud‑Computing‑Technologien sind Rechenzentren weltweit rasch gewachsen. Zwar ist das heute üblicherweise eingesetzte Kühlsystem für Rechenzentren sicher und zuverlässig, weist jedoch einen hohen Energieverbrauch auf. Ein Loop‑Thermosiphon verbraucht dagegen deutlich weniger Energie. Der Thermosiphon‑Kühlkörper gehört zu den vielversprechendsten Lösungen und ist in der Lage, hohe Wärmeflüsse bei minimalen Temperaturdifferenzen abzuführen.
Vorteil
✓ Technologie auf Basis eines Fernkühlkreislaufs
✓ Für den Außeneinsatz geeignet
✓ Leistungsbereiche liegen typischerweise zwischen 150 und 3.000 W/Verdampfer
✓ In der Lage, Wärmezähler ohne mechanische Pumpe und bewegliche Teile zu verlegen.
✓ Verarbeitet mehrere Wärmequellen
✓ Hocheffizienter Kondensator mit optimiertem Lamellenabstand
✓ Kein Pumpendesign, höhere Zuverlässigkeit und niedrige Wartungskosten
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