BE1023686B1 - Inrichting met metaalschuim voor versnelde overdracht van warmte - Google Patents

Abstract

De uitvinding voorziet in een nieuwsoortige warmtewisselingsinrichting, alsook in assembleerbare elementen voor de samenstelling van een dergelijke warmtewisselings-, in het bijzonder koelinrichting, waarbij tevens een regelbare intensiteit van warmteoverdracht, in het bijzonder trapsgewijs instelbare koeling met impulsfuncties, op eenvoudige wijze realiseerbaar is. Basiselement van de uitvinding is een thermisch goed geleidende grondplaat met opstaande lamellen of koelribben van gewenste dwarsdoorsnede (zoals bv.I-, T-, T-kruis- profiel enz.) gevormd als één integraal stuk, waarbij tussen de lamellen een opencellig metaalschuim is aangebracht op een welbepaalde afstand van de grondplaat. In een preferentiële uitvoeringsvorm van de uitvinding bestaat het basiselement van de koelinrichting uit een metalen (typisch aluminium) grondplaat integraal gevormd (typisch door extrusie) met opstaande koelvinnen die een kruis­ vormend T-profiel vertonen. Tussen de verticale bovenribben van de koelvinnen en steunend op de horizontale ribben van de kruisvorm zijn thermisch geleidende poreuze metaalelementen aangebracht, bij vorkeur opencellig aluminium- schuim met hoge poriëndensiteit, in nauw contact met het oppervlak van de koelribben.

Description

INRICHTING MET METAALSCHUIM VOOR VERSNELDE OVERDRACHT VAN WARMTE

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een verbeterde inrichting voor het overdragen van warmte en betreft meer in het bijzonder een warmtewisselende inrichting die op zeer specifieke wijze geconcipieerd is met warmte-overdragende elementen bestaande uit poreus metaal, meer bepaald metaalschuim met hoge volumetrische densiteit en hoog specifiek warmtegeleidend oppervlak.

De toepassing van metaalschuimen in warmtewisselaars voor het overdragen van warmte van een eerste medium naar een tweede medium waarbij de buitenzijde van één of meer leidingen voor een eerste medium in thermisch contact staat met het tweede medium is bekend in diverse uitvoeringsvormen. Voorbeelden hiervanvan zijn geopenbaard in talrijke patentpublicaties zoals DE 10207671 Al, NL 1020708, DE 10 2010 037 114 Al, WO 2012/160275, EP 2679946 Al, US 2010/0218921 Al, CN 104266531 (A), CN 201748825 (U), JP 2009121743, enz.

Verder wordt metaalschuim zeer frequent aangewend in applicaties waar lokale warmteafvoer (heat dissipation) op efficiënte en compacte wijze dient te gebeuren zoals bv. in modules van power electronica, computers, LED-structuren en dergelijke: zie in dit verband de patentpublicaties EP 2434246 (Al), EP 2400252 (Al), WO 2007/103628, CN 103727499 (A), US 6397450 BI, DE 10324190 Al, enz.

Tenslotte zijn er de diverse toepassingen van koeling en/of verwarming in de airco sector en aanverwante applicaties van warmteoverdracht/-afvoer bij gasvormige media, waar structuren met metaalschuim benut worden: zie ondermeer de patentpublicaties US 7987898 (B2), US 6363217 (BI), CN 201170511 (Y), CN 204227670 (U) etc.

Warmtewisseling met structuurelementen die zowel koelvinnen als metaalschuim omvatten is bekend uit de patent-publicatie US 2010/0230084.

I

De huidige uitvinding beoogt nu een warmtewisselingselement te verschaffen, waarbij een wezenlijk grotere warmte-overdracht kan worden gerealiseerd, dan bij de conventionele warmtewisselaars.

Een tweede oogmerk van de uitvinding is de verschaffing van intensieve koeler s/koelelementen.

Een verder oogmerk van de uitvinding is de verschaffing van een warmtewisselaar met thermisch geleidende poreuze structuur, meer bepaald uit metaal en in het bijzonder metaalschuim met open celstructuur, die de mogelijkheid biedt de warmtewisselingscapaciteit te variëren, meer bepaald te intensifiëren volgens behoefte, en dit op controleerbare resp. stuurbare/regelbare wijze, in her bijzonder trapsgewijze.

Additionele oogmerken resp. voordelen van de huidige uitvinding komen aan bod bij de gedetailleerde beschrijving hieronder van preferentiële uitvoeringsvormen van de uitvinding.

Deze oogmerken worden volgens de uitvinding optimaal gerealiseerd door verschaffing van een warmtewisselings-inrichting met de technische kenmerken volgens conclusie 1, nl. omvattende een basisvlak uit thermisch geleidend materiaal, meer bepaald een basisplaat uit metaal, waarop een veelvoud van (koel-) vinnen is bevestigd die op regelmatige afstand van elkaar en quasi loodrecht op de basisplaat opgericht staan, met het kenmerk dat de koelvinnen een kruisvormig soort T- profiel bezitten met verlengde T-stam tot boven het horizontale segment van de T, en met het kenmerk dat bovenaan de koelvinnen een thermisch geleidende poreuze open-cel structuur, meer bepaald metaalschuim is aangebracht, waarbij telkens een metaalschuimelement is gevat tussen twee aanpalende T-profiel vinnen en waarbij de L-vormige boven-kanten van de koelvinnen telkens een zitting vormen voor de aanpalende uiteinden van de opencellige schuimmetaalelementen.

Preferentiële uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn gedefinieerd in de onderconclusies 2 tot 10.

Een alternatieve uitvoeringsvorm van de uitvinding is gedefinieerd in onafhankelijke conclusie 11, waarbij de koel-vinnen of lamellen van een warmtegeleidende grondplaat tenminste zijdelings gecontacteed worden met opencellig metaalschuim, derwiize dat de ruimte tussen twee naburige koelvinnen is ingenomen door metaalschuim, dat op een gegeven afstand van de grondplaat is ingeklemd tussen de opstaande lamellen en en open spatie laat boven de grondplaat. Bij opstaande lamellen met T-profiel, resp. dubbel kruisvormig T-profiel ,contacteert het metaalschuim de onderkant van het horizontale T-element, resp. ook de bovenkant van het onderste horizontale element van dubbel kruisvormige T-lamellen.

Bij voorkeur is de inrichting volgens de uitvinding samenstelbaar uit afzonderlijke segmenten , elk bestaande uit een basisplaatelement van bepaalde lengte voorzien van T-vormige koelvinnen, waarbij het basisplaatelement vlak/rechtlijnig is of eventueel gebogen/gekromd kan zijn. Hierdoor zijn de segmenten - afhankelijk van hun krommingsgraad, lengte en assemblagetechniek - samenvoegbaar tot een warmtewisselingsinrichting van gewenste vorm(lengte , omtrek, contour) gaande van vlakke oppervlakken tot veelhoekige en gebogen/cirkelvormige (open en gesloten) warmteoverdracht- structuren, afhankelijk van de vorm van het aansluitende lichaam dat koeling of warmte-toevoer vereist.

De assemblage van de plaat/vin-segmenten tot een gewenste warmtewisselingsinrichting kan op verschillende manieren gerealiseerd worden: mechanisch bv. via kliksysteem voorzien in basisplaat, door brazeren, lassen, laseren, lijmen etc.

Bij voorkeur is de warmteoverdrachtcapaciteit van een inrichting volgens de uitvinding regelbaar, in het bijzonder trapsgewijze stuurbaar, bij voorkeur met verschaffing van een impulsfunctie voor sterk verhoogde warmtewisseling.

In een eerste voorkeuruitvoeringsvorm hiervan is een ventilator ofwel een blower voorzien die zorgt voor actieve convectie door lucht of een ander gasvormig medium geforceerd aan te zuigen ofwel onder druk te blazen doorheen de metaalschuimstructuur.

De performante warmtewisseling is bij voorkeur instelbaar door meting van het temperatuurverschil tussen bovenzijde en basis van de T-vin/lamel, waar geschikte sensoren aangebracht zijn, en in functie van deze delta-T kan de zuigkracht van de ventilator aangepast worden, bv. Via een geschikte PID regelaar.

In een hoogste trap van intensieve warmtewisseling, waarbij een sterk versnelde koeling van een warmte genererend contactoppervlak/grondplaat kan verwezenlijkt worden, voorziet een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding in de verneveling van een vloeistof (water, alcohol en dgl.) in het actief circulerende gasvormige koelmedium (meer bepaald lucht) . In een wenselijke realisatievorm hiervoor zijn boringen voorzien in het horizontaal gedeelte van de T, die gericht zijn naar de bovenliggende of contacterende schuimstructuur, en waarbij door fasetransformatie, nl. via snelle verdamping van vernevelde vloeistof, de koelintensiteit van gasmedium/schuimstructuur sterk verhoogd wordt (impuls- of “boost”-functie).

De poreuze driedimensionale metaalstructuur kan uit eender welk thermisch goed geleidend metaal bestaan zoals koper, aluminium, inox, zilver, zink, verzinkt staal, enz.

Bij voorkeur wordt het lichtmetaal aluminium gebruikt.

De Al-schuimstructuur is opencellig en de porositeit is minstens 80%, bij voorkeur minstens 90% en in het bijzonder meer dan 95%.

De uitvinding zal hiena worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen, waarin : Figuur 1 een doorsnede laat zien van een warmtewisselingselement volgens de uitvinding. Figuur 2 een verdere ontwikkeling toont van een warmtewisselaar volgens de uitvinding. i

In figuur 1 is als voorbeeld een plaatmodule met kruisvormige koelvinnen weergegeven.

De grondplaat 1 van gegeven lengte , die rechtlijnig vlak of gebogen kan zijn, bezit aan de bovenzijde opstaande koelvinnen 2 van kruisvormig profiel, waarvan de horizontale T-benen (3,3') een draagvlak vormen voor de metaalschuimelementen 5, die telkens tussen de vertikale bovendelen 4 van naburige koelvinnen aangebracht zijn.

Figuur 2 toont een opstelling van een warmtewisselingsinrichting volgens de uitvinding met regelbare intensiteit van warmteoverdracht. Aan basis van een opstaande lamel 2, ter hoogte van grondplaat 1, is een temperatuursensor 6 aangebracht. Een tweede temp. sensor 7 bevindt zich aan de bovenkant van het lamelprofïel waar het metaalschuim contacterend aansluit. Een niet weergegeven systeem van ventilatie maakt het mogelijk via de kanaalvormige zones 8 tussen grondplaat, koelvinnen en metaalschuim een regelbare luchtstroming doorheen de poreuze metaalmassa 5 te bewerkstelligen. De delta-T of temperatuurverschil tussen basis en tip van de koelvin, incl. de evolutie van delta-T in de tijd, wordt opgevolgd als maat voor koelintensiteit en koelefficiëntie van de inrichting volgens de uitvinding.

Een verdere ontwikkeling van een inrichtingsuitvoering volgens de uitvinding voorziet in een toevoer van koelvloeistof zoals water tot in het metaalschuimnetwerk, waar snelle evaporatie (door het zeer hoge specifieke uitwisselings-oppervlak van metaalschuim) aanleiding geeft tot een extra boost in koelintensiteit. De toevoer van koelmedium kan via boringen 9 in de koelvinnensecties verlopen , met fijnverdeelde uitlaatopeningen 10 gericht naar de poreuze metaalschuimbekleding 5.

Desgewenst kan aan de vloeistof een component toegevoegd worden die bij evaporatie ook voor de verspreiding van een aangename geur zorgt.

Volgende basistesten uitgevoerd met een metaalschuimkoeler volgens de uitvinding illustreren de verbeterde mogelijkheden qua koeling en effectiviteit t.o.v. conventionele koelsystemen.

Condities:

Teststructuur koeler: Al plaat met vinnen van 40mm, resp. vinnen van 40mm en Al-metaalschuim, met koeloppervlak van 80 mm x 200 mm.

Load: 1 liter water op 100 °C Luchtstroom: 0 (passief), 351/min en 901/min

De testresultaten in tabelvorm zijn weergegeven in figuur 3. Hieruit laat zich concluderen dat: - De toevoeging van Al foam aan de structuur van de koeler leidt in passief bedrijf (geen luchtstroom) tot een 15% snellere koeling. De toename in temperatuur(delta T) van het koeloppervlak vermindert met 18%. - Het actieve bedrijf met beperkte luchtstroom van 351/min door het Al metaalschuim met oppervlakte van 80mm x 200mm leidt tot een nog 15% snellere koeling in vgl. met de passieve Al foam structuur zonder luchtcirculatie.

De toename in temperatuur (delta T) van het koeloppervlak vermindert nog eens met 35%. - Het nog verder verhogen van het luchtstroomdebiet levert geen extra verlaging van de temperatuur van het koel-oppervlak op, maar wel nog een 10% snellere koeling extra, wegens minder snelle opwarming van het koelelement.

Het is bekend dat de verwerking van open metaalschuim met hoge volumeporositeit niet eenvoudig is; in het bijzonder het snijden op maat en de precisie ervan laten vaak te wensen over. Naast de toepassing van gespecialiseerde snij-, draadzaag- en ffeestechnieken, en thermisch “laseren”, bestaat ook de mogelijkheid van cryogeen bewerken. Met name zeer open metaalschuim zoals aluminiumschmm met hoge volumeporositeit laat zich gemakkelijk frezen, snijden of mechanisch bewerken na opname/opslorping van water (immersie) en bevriezing tot een vaste massa.

De modulaire warmtewisselingselementen volgens de uitvinding zijn veelzijdig toepasbaar en laten zich op diverse wijzen samenvoegen tot een warmtewisselingsinrichting van gewenste vorm en afmeting. Hiervoor is het mogelijk de basisplaat 1 te voorzien van aangepaste groeven en lippen en/of van een kliksysteem. Aangepaste metallurgische verbindingstechnieken kunnen aangewezen zijn voor de realisatie/assemblage van gebogen en gekromde warmte-wisselingsoppervlakken.

Uit het voorafgaande moge blijken dat de uitvinding niet beperkt is tot de hier weergegeven en beschreven uitvoeringsvorm, maar dat binnen het kader van de hiernavolgende conclusies en groot aantal varianten mogelijk zijn, die voor de vakman op dit gebied voor de hand zullen liggen en tot het wezen van de uitvinding blijven behoren. i

Claims (11)

1. CONCLUSIES

   1. Inrichting voor het overdragen van warmte, omvattende één of meer plaatelementen met opstaande (koel-)vinnen of -ribben of lamellen uit warmtegeleidend materiaal zoals een metaal of metaallegering, bij voorkeur aluminium, koper, nikkel en dgl., met het kenmerk dat de opstaande koelvinnen een T-vormig of kruisvormig profiel bezitten en dat de quasi horizontaal verlopende bovenkanten van deze T- of kruisprofielen voorzien zijn van een bekleding met thermisch geleidende, driedimensionale, poreuze open structuur zoals een metaalschuim, met name uit aluminium, koper, nikkel,zink, zilver etc., legeringen hiervan en/of gelaagde metaalschuimcombinaties hiervan.
2. 2 . Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het metaalschuim een volumeporositeit heeft die minstens 90% bedraagt, bij voorkeur niet kleiner is dan 95%.
3. 3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat afmetingen van de poriën of openingen liggen tussen 0,05 en 0,50 mm.
4. 4. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 1-3, met het kenmerk dat de metaalschuimbekleding op gewenste maat strooksgewijze voorgevormd is door snijden, zagen, frezen of laseren, waarbij de stroken metaalschuim met behulp van een thermisch contact makend middel verbonden zijn met de horizontale bovenzijden van de opstaande koelvinnen.
5. 5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk dat het thermisch contact makend middel een warmtegeleidende lijm of pasta, soldeerpasta of brazeerpasta is, ofwel een hechtende metaallaag omvat aangebracht via galvanische depositie of opdamp- of sputtertechniek, ofwel een metaal(braseer)folie omvat.
6. 6.Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de opstaande koelvinnen een kruisvormig profiel bezitten en de bekleding uit metaalschuim rustend op de horizontale profielsegmenten ingeklemd zit tussen de de opstaande bovenkanten van twee naburige koelvinnen.
7. 7. Inrichting volgens één of meer van de voorafgaande conclusies 1-6, met het kenmerk dat de inrichting middelen omvat,zoals bv. een ventilatiesysteem, om een gasvormig (koel-)medium zoals lucht met variabel debiet of snelheid geforceerd door de driedimensionale poreuze structuur te circuleren.
8. 8. Inrichting volgens conclusie 1 of 7, met het kenmerk dat de inrichting middelen omvat om een koelvloeistof zoals bv. water op gecontroleerde wijze te verdelen en/of te verstuiven in de poreuze metaalschuimstructuur, met name om een extra boost in afkoelingsintensiteit te realiseren.
9. 9. Inrichting volgens conclusies 7 of 8, met het kenmerk dat de inrichting temperatuursensoren en verdere middelen ter controle/monitoring resp. feedback omvat, die toelaten de intensiteit der warmteoverdracht naar wens te sturen, in het bijzonder trapsgewijze of impulsgewijze te verhogen .
10. 10. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de plaatelementen met opstaande koelvinnen modulair uitgevoerd zijn en bijaldien samenstelbaar of assembleerbaar zijn tot een warmtewisselingsinrichting van gewenste vorm en afmeting resp. oppervlakte.
11. 11. Warmtewisselingsinrichting omvattende een plaatvormig warmtegeleidend basiselement met meerdere, bij voorkeur equidistant opeenvolgende, opstaande koelvinnen of lamellen gevormd als één integrerend geheel, waarbij de lamellen in dwarsdoorsnede een I-profiel, een T-profiel, een kruisprofïel, een dubbel kruisvormend T-profiel en dgl. kunnen vertonen, met het kenmerk dat de ruimtes tussen de lamellen enkel gedeeltelijk zijn opgevuld met metaalschuim-elementen telkens ingeklemd tussen de opstaande ribben van naburige lamellen, derwijze dat tussen plaatvormig basiselement, ribben en metaalschuimelementen een (ventilatie-/circulatie-) opening van gewenste diepte/hoogte aanwezig blijft.