DE10123456A1

DE10123456A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10123456A1
Application number: DE2001123456
Authority: DE
Inventors: Dieter Girlich; Juergen Schaedlich-Stubenrauch
Original assignee: M Pore GmbH; GEA Management Gesellschaft fuer Waerme und Energietechnik mbH
Current assignee: Mpore 01277 Dresden De GmbH
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2002-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1), der aus offenporigem Metallschaum (2) besteht, wobei zumindest ein Teil der in dem Metallschaum (2) enthaltenen Zellen miteinander verbunden ist, so daß ein fluides Medium durch den Metallschaum (2) hindurch fließen kann. Der Metallschaum kann eine Gradierung aufweisen. Darüber hinaus kann der Metallschaum weitere, mit dem offenporigen Metallschaum in Verbindung stehende Bauelemente aufweisen, wobei die Bauelemente und der offenporige Metallschaum in einem Stück gegossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher

Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme von einem fließenden Medium mit höherer Temperatur auf ein fließendes Medium mit niedrigerer Temperatur übertragen, wobei sich das wärmere Medium abkühlt, während sich das kältere Medium erwärmt. In Abhängigkeit vom Anwendungszweck sind unterschiedli che technische Gestaltungen von Wärmetauschern bekannt.

Für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Medien ist es erforderlich, eine möglichst große Austauschfläche zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck weisen Wärmetauscher Kühlkörper mit Rippenprofil und Bandwicklun gen auf. Der Kontakt zwischen einem solchen Kühlkörper und einem strömen den Medium wird über Rohre oder ähnliches hergestellt, die mit dem Kühlkör per mechanisch verbunden sind. Derartige Verbindungen, die durch Pressen, Kleben oder Fügen wie beispielsweise Löten hergestellt wurden, haben jedoch den Nachteil, daß Barrieren für den Wärmefluß entstehen. Überdies ist der Materialeinsatz hoch. Die Kühlleistung ist für die meist aus Aluminium gefertig ten Wärmetauscher durch das maximal erzielbare Verhältnis von Oberfläche zu Volumen begrenzt. Die Kontaktkorrosion zwischen unterschiedlichen Materiali en führt zu Leckagen. Außerdem sind gepreßte Verbindungen mechanisch nicht stark belastbar.

Aus EP 0 559 092 ist ein Wärmeableiter für Halbleiterbauelemente bekannt, der einen Wärmeverteiler umfaßt. Dieser Wärmeverteiler ist auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements befestigt. Auf dem Wärmeverteiler ist ein Metallschaum angeordnet. Der Metallschaum ist auf dem Wärmeverteiler mit einem wärme leitenden Haftmittel befestigt. Alternativ wird der Metallschaum auf den Wärmeverteiler aufgelötet. Auch dieser Wärmetauscher weist somit die vorstehend beschriebenen Nachteile auf.

US 6,196,307 offenbart einen Metallschaumblock, der in einer wärmeleitenden Beziehung mit einem Elektronikmodul positioniert ist. Der Metallschaumblock weist eine flache Oberfläche auf, so daß er auf die ebenfalls flache Oberfläche eines Elektronikmoduls aufgebracht werden kann. Der Metallschaumblock ent hält zufällig verteilte Porenzellen, die miteinander verbunden sind, so daß ein Kühlmittel im wesentlichen parallel zu der flachen Oberfläche des Elektronik moduls durch den Metallschaum fließen kann. Die Stege, die die Porenzellen begrenzen, verlaufen im wesentlichen senkrecht zu der flachen Oberfläche des Elektronikmoduls, so daß eine höhere Metalldichte in den senkrecht zu der be absichtigten Richtung des Wärmeflusses stehenden Querschnittsebenen des Metallschaums vorhanden ist. Der unter Verwendung dieses Metallschaum blocks gebildete Wärmetauscher umfaßt weiterhin eine thermische Grundplatte aus einem Metall, einem Metallmatrixkomposit oder einer Keramik. Die dem Metallschaum zugewandte Seite der Grundplatte ist mit einer Metallschicht be deckt, damit eine direkte Bindung zwischen der thermischen Grundplatte und dem Metallschaumblock möglich ist. Weiterhin umfaßt der Wärmeaustauscher ein Gehäuse, der den Metallschaumblock an den übrigen Seiten umschließt, wobei das Gehäuse Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel aufweist. Der in US 6,196,307 offenbarte Wärmeaustauscher weist somit ebenfalls die bereits beschriebenen Nachteile auf.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dabei steht die Aufgabe, einen ver besserten Wärmetauscher vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßi ge Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der An sprüche 2 bis 15.

Erfindungsgemäß wird somit ein Wärmetauscher zur Verfügung gestellt, der aus offenporigem Metallschaum besteht, wobei zumindest ein Teil der in dem Metallschaum enthaltenen Zellen miteinander verbunden ist, so daß ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann.

Infolge der Fertigung des Wärmetauschers aus offenporigem Metallschaum werden Wärmetauscher erhalten, die sich durch geringes Gewicht aufgrund eines Materialanteils von fünf Prozent pro Volumeneinheit, hohe innere Ober fläche, Durchströmbarkeit, hohe geometrische Gestaltungsmöglichkeiten und eine breite Materialauswahl auszeichnen.

Der vorgeschlagene Wärmetauscher unterscheidet sich somit von dem in EP 0 559 092 vorgeschlagen Wärmeableiter dahingehend, daß der gesamte Wär metauscher aus Metallschaum gefertigt ist. Die Bildung eines Wärmetauschers aus mehreren Bauelementen, die miteinander unter in Kaufnahme der vorste hend erläuterten Nachteile verbunden werden müssen, wird so vermieden.

Der aus offenporigem Metallschaum gebildete Wärmetauscher überträgt die Wärmeenergie aus dem zu kühlenden Medium, das sich mit dem Wärmetau scher in Kontakt befindet. Dazu wird das zu kühlende Medium in der offenpori gen Struktur des Metallschaums transportiert, wobei Turbulenzen erzeugt wer den. Die Turbulenz ermöglicht einen besseren Wärmeübergang von dem Medi um auf den offenporigen Metallschaum, der aufgrund seiner geringen Masse für eine schnelle gleichmäßige Verteilung der Wärmeenergie sorgt. Dabei er folgt die Wärmeableitung ungerichtet. Der Strömungswiderstand des Metall schaums kann über die Anzahl der Poren eingestellt werden. Zur Vermeidung von Korrosion wird das Wärmetauschermaterial in Abhängigkeit von dem zu kühlenden Medium gewählt. Ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen wird in DE 199 39 155 offenbart.

Der offenporige Metallschaum kann als Behältereinsatz, als Schüttung von Granalien zur gleichmäßigen Wärmeverteilung (Sorptionsprozeß) oder zur Vermeidung lokaler Überhitzungen, beispielsweise bei radioaktiven Stoffen, verwendet werden.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers kann sich das Volumen der in dem Metallschaum enthaltenen Zellen mit zunehmen der Entfernung vom Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes in den Me tallschaum verändern, wodurch eine Gradierung erreicht wird. Je nach Anwen dungszweck, das heißt beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperaturdiffe renz oder der Geschwindigkeit des Wärmeabtransportes, kann das Zellvolumen zunehmen oder abnehmen. Gleichzeitig oder alternativ kann die Wandstärke der zwischen den Zellen befindlichen Metallstege mit zunehmender Entfernung vom Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes abnehmen.

Die Form des Wärmetauschers ist sehr variabel, das heißt, der Metallschaum kann in jeder geeigneten Form gegossen werden. Beispielsweise kann der Wärmetauscher eine quader-, würfel-, rohrförmige oder kammartige Gestalt aufweisen. Es ist ebenso möglich, daß der Wärmetauscher mehrere Segmente aufweist, die aus dem offenporigen Metallschaum gebildet sind. Die Segmente sind zweckmäßigerweise miteinander verbunden.

Der Wärmetauscher kann weitere, mit dem offenporigen Metallschaum in Ver bindung stehende Bauelemente aufweisen, wobei die Bauelemente und der offenporige Metallschaum in einem Stück gegossen sind, so daß die Bauele mente stoffschlüssig mit dem Metallschaum verbunden sind. Auf diese Weise wird es möglich, komplexere Wärmetauscher zu fertigen. Diese weisen jedoch nicht die Nachteile bekannter Wärmetauscher auf, da aufgrund der Herstellung aller Bauelemente und des offenporigen Metallschaums aus demselben Mate rial und der aufgrund des gemeinsamen Gießens fehlenden Notwendigkeit, die Bauelemente nachträglich miteinander mechanisch zu verbinden, Barrieren für den Wärmefluß und Leckagen infolge von Kontaktkorrosion vermieden oder zumindest reduziert werden. Überdies verringert sich der Materialeinsatz zur Herstellung des Wärmetauschers, und seine Belastbarkeit ist deutlich höher.

Überdies können kompaktere Wärmetauscher hergestellt werden, die trotzdem eine vergleichsweise große Oberfläche in bezug auf ihr Volumen aufweisen.

Die Bauelemente können beispielsweise Rohre für fluide Medien, Trennwände, die den Metallschaum in Kammern unterteilen, oder Außenwände sein. Die Trenn- und Außenwände können plattenförmig ausgestaltet sein. Die Bauele mente selbst können auch strukturiert sein. Die Rohre können ebenfalls mit offenporigem Metallschaum gefüllt sein, um die Oberfläche zu vergrößern, die Anzahl der Rohre zu verringern und die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzie ren. Wesentlich dabei ist, daß die Rohre und/oder Platten an den Metallschaum angegossen oder in diesen eingegossen sind.

Die Rohe und Wände können die wärmeaustauschenden Medien trennen, wo durch die Strömungsrichtung der Medien gegeneinander eingestellt werden kann. Durch geeignete Anordnung der Trennwände kann erreicht werden, daß fluide Medien im Gegenstrom durch den offenporigen Metallschaum (2) geführt werden.

Die Erfindung erlaubt somit, in kompakter Bauweise effiziente Wärmetauscher herzustellen, die besser auf ihre jeweilige Anwendung hinsichtlich Materialaus wahl und Geometrie angepaßt werden können.

Beispielsweise erlaubt es die Erfindung, eine Kühlvorrichtung für Transistoren mit hohem Wirkungsgrad herzustellen, da die Kühlvorrichtung unmittelbar auf die Transistoroberfläche aufgebracht wird, ohne daß Bauelemente aus anderen Materialien benötigt werden, der Metallschaum, der die Kühlvorrichtung bildet, strukturiert ist und gegebenfalls eine Gradierung aufweist. Überdies entfällt im Vergleich zu bekannten Kühlvorrichtungen für Transistoren, die aus im wesent lichen parallel verlaufenden Lamellen bestehen, die Notwendigkeit, die Kühlvor richtung in bezug auf die zirkulierende Luft auszurichten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher aus mehreren Bauteilen gebildet, die jeweils aus Bauelementen wie Rohren oder Platten be stehen, und aus offenporigem Metallschaum bestehen. Diese Bauteile sind zweckmäßigerweise miteinander verbunden. Auf diese Weise wird ein modula rer Aufbau der Wärmetauscher erreicht, so daß er im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom betrieben werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1, der aus offenporigem Metallschaum 2 gebildet ist. Der of fenporige Metallschaum 2 weist eine würfelförmige Gestalt auf.

Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Wärmetauschers, der aus offenporigem Metallschaum 2 gebildet ist. Der offenporige Metallschaum 2 weist eine kammartige Struktur auf.

Fig. 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1, der aus offenporigem Metallschaum 2 gebildet ist. Der of fenporige Metallschaum 2 weist eine rohrförmige Gestalt auf. An den Metall schaum 2 sind Zu- und Ableitungsrohre 3.1 angegossen.

Fig. 4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Wärmetauschers 1, der aus offenporigem Metallschaum 2 gebildet ist. Der offenporige Metallschaum 2 weist eine rohrförmige Gestalt auf. An den Metall schaum 2 sind Zu- und Ableitungsrohre 3.1 angegossen. Im Gegensatz zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind Zu- und Ableitungsrohre 3.1 mit einer offenporigen Struktur ausgestattet.

Fig. 5 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Wärmetauschers 1, der aus offenporigem Metallschaum 2 gebildet ist. Der offenporige Metallschaum 2 ist in Segmente 2.1, 2.2, 2.3 unterteilt. An die Segmente 2.1, 2.2, 2.3 sind Zu- und Ableitungsrohre 3.1 angegossen, die die Segmente 2.1, 2.2, 2.3 miteinander verbinden.

Fig. 6 zeigt schematisch eine sechse Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Wärmetauschers 1, der aus offenporigem Metallschaum 2 gebildet ist. Der offenporige Metallschaum 2 ist durch Trennwände 3.2 so strukturiert, das die über die Zu- und Ableitungsrohre 3.1 strömenden Medien im Gegenstrom zu einander geführt werden.

Fig. 7 veranschaulicht, die Gradierung des Metallschaums 2, der den Wärme tauscher 1 bildet. Ausgehend von einer Grundplatte 4, die keine Poren aufweist (Vollmaterial), nimmt die Größe der Poren 5 ab.

Fig. 8 veranschaulicht, die Veränderung der Stärke der Stege 6, die die Zellen des Metallschaums 2 für den Wärmetauscher bilden. Ausgehend von einer Grundplatte 4, die keine Poren aufweist (Vollmaterial), nimmt die Stärke der Stege 6 mit zunehmender Entfernung von der Grundplatte 4 ab.

Fig. 9 zeigt schematisch eine siebente Ausführungsform eines erfindungsge mäßen Wärmetauschers 1 im Querschnitt, der aus offenporigem Metall schaum 2 gebildet ist. Der offenporige Metallschaum umschließt ein Rohr 7. Die Außenfläche des Metallschaums 2 weist Einbuchtungen auf, die einen bes seren Abtransport der Wärme ermöglichen.

Die Fig. 10 und 11 zeigen Wärmetauscher für Transistoren 8, die unter schiedlich strukturiert sind, jeweils von der Seite (Fig. 10a bzw. 11a) und als Draufsicht (Fig. 10b bzw. 11b).

Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten 1 Wärmetauscher
2 offenporiger Metallschaum
2.1, 2.2, 2.3 Segmente aus offenporigem Metallschaum
3.1 Zu- und Ableitungsrohre
3.2 Trennwände
4 Grundplatte
5 Poren
6 Stege
7 Rohr
8 Transistor

Claims

1. Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß er aus offenporigem Metallschaum (2) besteht, wobei zumindest ein Teil der in dem Metall schaum (2) enthaltenen Zellen miteinander verbunden ist, so daß ein fluides Medium durch den Metallschaum (2) hindurch fließen kann.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Volumen der in dem Metallschaum (2) enthaltenen Zellen mit zuneh mender Entfernung vom Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes in den Metallschaum (2) verändert.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der in dem Metallschaum (2) enthaltenen Zellen mit zunehmender Entfernung vom Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes zunimmt.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der in dem Metallschaum (2) enthaltenen Zellen mit zunehmender Entfernung vom Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes abnimmt.

5. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der zwischen den Zellen befindlichen Metallstege mit zunehmender Entfernung vom Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes abnimmt.

6. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) eine quader-, würfel-, rohrförmige, kammartige Gestalt aufweist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die dem Eintrittsort des abzuführenden Wärmestromes ab gewandete Außenseite des Metallschaums (2) profiliert ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) mehrere Segmente (2.1, 2.2, 2.3) aufweist, die aus dem offenporigen Metallschaum (2) gebildet sind.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (2.1, 2.2, 2.3) miteinander verbunden sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er weitere, mit dem offenporigen Metallschaum (2) in Ver bindung stehende Bauelemente (3) umfaßt, wobei die Bauelemente (3) und der offenporige Metallschaum in einem Stück gegossen sind.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (3) Rohre (3.1) für zumindest ein fluides Medium, Trennwän de (3.2), die den Metallschaum (2) in Kammern (4) unterteilen, und/oder Au ßenwände sind.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rohre (3.1) für zumindest ein fluides Medium mit offen porigem Metallschaum gefüllt sind.

13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rohre (3.1) und/oder die Trennwände (3.2), die den of fenporigen Metallschaum (2) in Kammern (4) unterteilen, so angeordnet sind, daß fluide Medien im Gegenstrom durch den offenporigen Metallschaum (2) geführt werden.

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bauelemente (3) und der offenporige Metallschaum (2) Bauteile bilden, die miteinander verbunden sind.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile so angeordnet sind, daß fluide Medien im Gleichstrom, Ge genstrom oder Kreuzstrom geführt werden.