DE10159860C2 - Wärmeübertragungsfläche mit einer aufgalvanisierten Mikrostruktur von Vorsprüngen - Google Patents
Wärmeübertragungsfläche mit einer aufgalvanisierten Mikrostruktur von VorsprüngenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsfläche auf rohr-
oder plattenförmigen Körpern mit einer aus der Grundfläche
herausragenden Mikrostruktur von Vorsprüngen, die mit einer
Mindesthöhe von 10 µm auf die Grundfläche galvanisiert sind sowie
ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wärmeübertragungsflächen.
Dem Stand der Technik entsprechend kommen
Wärmeübertragungsflächen in Verdampfern und Kondensatoren in
vielfältigen Größen und Formen vor. Ihre konstruktive Gestaltung
hängt von der Art der Verdampfung (Konvektions-, Blasen-,
Filmverdampfung) und der Kondensation (Tropfen- oder
Filmkondensation) ab.
Dem Bereich der Blasenverdampfung kommt die größte
Bedeutung zu. Die Bildung von Dampfblasen findet dabei an den
Wärmeübertragungsflächen statt. Das Wachstum, die Größe sowie
die Anzahl der Blasen je Wärmeübertragungsfläche und Zeiteinheit
werden im wesentlichen von drei Parametern bestimmt:
- a) von den Eigenschaften der siedenden Flüssigkeit,
- b) vom Material der Heizwand sowie der Struktur der Heizfläche,
- c) von der Wärmestromdichte.
Damit in einer Flüssigkeit Dampfblasen entstehen und
wachsen können, müssen bestimmte physikalische Bedingungen
erfüllt sein. Die Modellvorstellungen zur Beschreibung dieser
Bedingungen gehen in der Regel von einer homogenen Keimbildung
aus, die ihrerseits meistens auf Dichtefluktuationen zurückgeführt
wird. Einmal entstanden, verlangt eine Dampfblase eine Umgebung,
die ihr ein Wachstum ermöglicht. Aus einer einfachen
Gleichgewichtsanalyse ergibt sich bei der Verdampfung folgender
Zusammenhang:
Darin bedeuten:
r = den Blasenradius,
σ = die Oberflächenspannung der Flüssigkeit,
Δh = die Verdampfungsenthalpie,
ρv = die Dampfdichte,
T = die Flüssigkeitstemperatur,
T∞ = die Gleichgewichtstemperatur an einer ebenen Phasengrenze.
r = den Blasenradius,
σ = die Oberflächenspannung der Flüssigkeit,
Δh = die Verdampfungsenthalpie,
ρv = die Dampfdichte,
T = die Flüssigkeitstemperatur,
T∞ = die Gleichgewichtstemperatur an einer ebenen Phasengrenze.
Die Temperaturdifferenz T - T∞ kann somit als
mindesterforderliche Überhitzung der siedenden Flüssigkeit bei der
vorliegenden Blasengröße mit dem Radius r gedeutet werden. Sie
kann dadurch herabgesetzt werden, daß Blasen großer Abmessungen
- also mit großem r - durch geeignete Eingriffe erzeugt werden. Dabei
kommt der aufheizenden Wärmeübertragungsfläche eine zentrale
Bedeutung zu. Eine günstige Gestaltung dieser
Wärmeübertragungsfläche kann die Effizienz des Wärmetransports
beim Sieden erheblich steigern. Gewünscht wird dabei eine
Wärmeübertragungsfläche mit einer Mikrostruktur, die bei einer
möglichst niedrigen Temperaturdifferenz zu einer möglichst hohen
Blasendichte mit großem Blasenradius führt. Dies ist eine
Voraussetzung für eine effiziente Übertragung der Wärme von der
Wärmeübertragungsfläche an das Fluid.
Hierzu sind grundsätzlich Mikrostrukturen mit Hohlräumen
geeignet, die nach dem Abreißen der Blasen nicht durch die
umgebende Flüssigkeit geflutet werden. Die in den Hohlräumen
gebildeten Dampfblasen expandieren während der Wachstumsphase
in das an die Wärmeübertragungsfläche grenzende Fluid und reißen
bei Überschreiten einer systembedingten kritischen Größe von dieser
Wärmeübertragungsfläche in der Art ab, daß Dampfreste in den
Hohlräumen zurückbleiben und als Keime für Folgeblasen dienen.
Im Bereich der Kondensation begegnet man im wesentlichen
der Filmkondensation in Wärmeübertragungsvorrichtungen. Hierbei
gilt es vornehmlich, die kühlende Wärmeübertragungsfläche vom
dickeren Kondensatfilm freizuhalten, wobei auch sie mit geeigneten
Mikrostrukturen versehen werden soll. Die treibende Kraft für das
Abfließen des Kondensats kann mit dem Kapillardruck Δp
verknüpft werden, worin σ die Oberflächenspannung und r den
Krümmungsradius der Phasengrenze darstellt.
Aus den US-Patentschriften 4 288 897, 4 129 181 und
4 246 057 sind Mikrostrukturen als Wärmeübertragungsflächen auf
rohrförmigen Körpern bekannt geworden, wobei Glattrohre mit
Schaumstoffauflagen aus Polyurethan mit einer Dicke von ungefähr
0,00025" bis 0,0025" (ca. 6,35 µm bis 63,5 µm) umwickelt werden,
deren offene Porenstrukturen zunächst in einem chemischen
Verfahren metallisiert werden. Anschließend wird das Rohr mit dem
metallisierten Polyurethanmantel als Kathode und die Grundfläche
des Rohres als Anode geschaltet und die galvanische Abscheidung in
Gang gesetzt. Der Elektrolyt durchdringt den Schaumstoff bis zur
Rohrmantelfläche und ermöglicht sowohl eine gleichzeitige
Abscheidung der Metallionen am Rohr als auch im Inneren der
Schaumstoffstruktur. Nach Erreichen einer angemessenen
Schichtdicke wird der galvanische Prozeß abgebrochen und das
Schaumstoffmaterial durch Ausbrennen (Pyrolyse) entfernt. Zurück
bleibt auf der Grundfläche eine poröse metallische Struktur, die stark
vernetzt und vermascht ist. Sie enthält völlig unregelmäßige Dicken
der Stege sowie völlig unterschiedliche Hohlräume und damit völlig
unregelmäßige, ungeordnete Strukturen, wodurch die Bildung von
Dampfblasen, beispielsweise bei der Verdampfung, dem Zufall
überlassen bleibt. Bei der Kühlung können in den mikrofeinen
Hohlräumen zurückbleibende Verunreinigungen im Kältemittel zu
einer erheblichen Verschlechterung des Wärmeüberganges führen.
Aus der US 4 219 078 ist eine Wärmeübertragungsfläche
bekannt geworden, bei welcher eine poröse, um ein Rohr zu
wickelnde Folie Kupferpartikel mit einem Durchmesser von 0,1 mm
bis 0,5 mm enthält, die sich mehrschichtig auf der Grundfläche
aufbauen und durch einen galvanischen Prozeß zu einer gesamten
Oberflächenstruktur verbunden werden. Diese weist zwar eine
gewisse Regelmäßigkeit auf, kann jedoch nicht darüber
hinwegtäuschen, daß eine Blasenbildung durch die Mehrschichtigkeit
der Partikel eher behindert als gefördert wird. Auch hinsichtlich einer
Filmkondensation wirken die zahlreichen Hohlräume einer effektiven
Wärmeübertragungsleistung entgegen.
Um Wärmeübertragungsflächen porös zu gestalten und somit
hinsichtlich ihrer Oberfläche mit einer gewissen Gleichmäßigkeit in
geordneter Struktur zu versehen, werden häufig gattungsfremde
mechanische Bearbeitungsverfahren herangezogen, die z. B. in der
DE 197 57 526 C1, in der US 4 577 381 A, in der DE 27 58 526 A1
und in der EP 0 713 072 offenbart sind.
So wurden beispielsweise die in der DE 197 57 526 C1 und in
der EP 0 057 941 A2 offenbarten Rohre mit speziellen Walz- und
Stauchwerkzeugen bearbeitet, um eine spezielle, sehr rauhe,
rändelartige Oberflächenstruktur zu erreichen. Diese
Oberflächenstruktur befindet sich jedoch nicht im Mikrobereich,
sondern im Millimeterbereich, wobei die Dicke der Rippen ca. 0,1 mm
und ihre Teilung etwa 0,41 mm bei einem Rohrdurchmesser von
35 mm betragen kann, was keiner gattungsgemäßen Mikrostruktur
entspricht. Die unter der Grundfläche befindlichen kanalförmigen
Hohlräume können zwar die Blasenbildung bei der Verdampfung
anregen, wirken aber einer Freihaltung der Kühlflächen bei einer
Filmkondensation entgegen. Ganz Entsprechendes gilt auch für die
Gegenstände der weiterhin vorgenannten Druckschriften.
Neben diesem vorgenannten Stand der Technik gibt es noch
eine Reihe von Beschichtungsarten mittels Sintertechnik,
Sprayertechnik, Flammenspritzen und Sandstrahlung. All diese
Verfahren sind gattungsfremd und haben nicht die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe zu lösen vermocht.
Denn der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Wärmeübertragungsfläche der eingangs genannten Gattung sowie ein
Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmeübertragungsfläche
zu schaffen, die sich bei möglichst niedrigen
Temperaturdifferenzen T - T∞ und einem optimalen thermischen
Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung
ihrer wärmeübertragenden Flächen auszeichnet und sich bei einem
vertretbaren Herstellungsaufwand sowohl für eine
Blasenverdampfung als auch für eine Filmkondensation eignet.
Diese komplexe Aufgabe wird hinsichtlich der
Wärmeübertragungsfläche in Verbindung mit dem eingangs
genannten Gattungsbegriff dadurch gelöst, daß die Grundfläche ganz
oder teilweise mit Vorsprüngen bedeckt ist, daß diese Vorsprünge in
Form von geordneten Mikrostrukturen mittels einer mit Mikroporen
versehenen Polymermembran aufgebracht sind und eine Stiftform
aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder
unter einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Grundfläche erstreckt.
Durch diese Merkmale wird erstmalig eine Wärmeübertragungsfläche
im Mikrostrukturbereich geschaffen, deren Vorsprünge stiftförmig
ausgebildet und sich mit ihrer Längsachse senkrecht oder quer zur
Grundfläche erstrecken. Dadurch können sich in den dazwischen
befindlichen Mikrobereichen ungehindert Dampfblasen entwickeln,
die bei einer mindesterforderlichen Überhitzung der siedenden
Flüssigkeit bei einer Temperaturdifferenz T - T∞ Blasen großer
Abmessungen entstehen lassen, nach deren Abriß in den offenen
Hohlräumen neue Dampfblasen keimen und expandieren, so daß
nicht nur eine hohe Blasendichte, sondern auch eine hohe
Blasenfrequenz gewährleistet ist.
Ferner können die sowohl nach außen als auch zwischen den
einzelnen stiftförmigen Vorsprüngen völlig offenen Hohlräume eine
hervorragende Filmkondensation gewährleisten, wobei der Film stets
in sämtlichen Richtungen gleichmäßig ungehindert abströmen kann.
Dadurch kann ein ausgezeichneter thermischer Wirkungsgrad sowie
ein ungewöhnlich großer Wärmetransport dieser so gestalteten
Wärmeübertragungsflächen sichergestellt werden. Dabei läßt die
erfindungsgemäße Wärmeübertragungsfläche auch zu, die
Flächendichte und die Dicke der stiftförmigen Vorsprünge je nach der
Viskosität des beaufschlagenden Fluids zu variieren, nämlich
zwischen 102/cm2 und 108/cm2 bei einer Dicke zwischen 100 µm und
0,2 µm. Die große Porosität dieser Mikrostruktur begünstigt beim
Blasensieden entscheidend den Wärmeübertragungsvorgang.
Ebenso wird im Bereich der Kondensation nunmehr eine
Wärmeübertragungsfläche geschaffen, die für eine effektive Wirkung
der Oberflächenspannung σ sorgt und den Wärmetransport
begünstigt. Zur Erzielung einer hohen Gleichmäßigkeit der
Wärmeübertragungsleistung ist es vorteilhaft, die Länge der Stiftform
auf ein und derselben Wärmeübertragungsfläche konstant zu halten.
Diese Länge der Stiftform kann je nach Größe und spezifischer
Funktion der Wärmeübertragungsfläche zwischen 10 µm und 195 µm
liegen.
Vorteilhaft wird auch die Außenkonfiguration der Stiftform bei
ein und derselben Wärmeübertragungsfläche gleich gestaltet. Die
Dicke der Stiftform kann dabei zwischen 0,2 µm und 100 µm liegen.
Ferner ist es vorteilhaft, die lichte Weite zwischen den
stiftförmigen Vorsprüngen bei ein und derselben
Wärmeübertragungsfläche regelmäßig zu gestalten. Diese lichte Weite
kann zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen je nach gewünschter
Wärmeübertragungsfläche und beaufschlagendem Fluid zwischen
0,6 µm und 1000 µm liegen.
Auch bei der speziellen Ausbildung der stiftförmigen
Vorsprünge läßt die Erfindung zahlreiche Ausführungsformen zu.
So weisen nach einer ersten Ausführungsform die stiftförmigen
Vorsprünge die Form einer zylindrischen Säule auf. Nach einer
zweiten Ausführungsform sind die stiftförmigen Vorsprünge als Kegel
oder Kegelstumpf gestaltet. Nach einer dritten Ausführungsform
können die stiftförmigen Vorsprünge aus mehreren
aufeinandergesetzten Kegelstümpfen bestehen.
Nach einer vierten Ausführungsform sind die stiftförmigen
Vorsprünge mit einem zylindrischen Ständer versehen, dessen freies
Ende eine Pilzform aufweist.
Und schließlich - jedoch nicht abschließend - bilden die
stiftförmigen Vorsprünge einen zylindrischen Ständer, dessen freies
Ende mit einer Kugel- oder einer Teilkugelform versehen ist.
Aufgrund der Mikrostruktur lassen sich die stiftförmigen
Vorsprünge auf praktisch sämtlichen plattenförmigen oder
rohrförmigen oder ähnlichen Körpern aufbringen. Die rohrförmigen
Körper sollten jedoch mindestens einen Innen- oder
Außendurchmesser von 2 mm aufweisen.
Die Herstellung der vorbeschriebenen
Wärmeübertragungsflächen geht aus von einem Verfahren zur
Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche auf rohr- oder
plattenförmigen Körpern mit einer über eine Grundfläche
hervorragenden Mikrostruktur mit einer Mindesthöhe von 10 µm von
aufgalvanisierten Vorsprüngen, wobei die Grundfläche mit einer
Kunststoffolie belegt und galvanisiert wird, wie sie in den
US-Patentschriften 4 288 897, 4 129 181, 4 246 057 und 4 219 078
beschrieben worden ist.
Verfahrenstechnisch wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe in Verbindung mit dem vorgenannten Gattungsbegriff
dadurch gelöst, daß eine mit Mikroporen versehene Polymermembran
als Kunststoffolie flächendeckend auf die Grundfläche aufgebracht
wird und im anschließenden Galvanisierungsprozeß der die
Grundfläche tragende Körper als eine der Elektroden geschaltet wird
und nach Erreichen der gewünschten Länge und Form der sich in
den Mikroporen bildenden stiftförmigen Vorsprünge der
Galvanisierungsprozeß unterbrochen und sodann die
Polymermembran entfernt wird.
Durch die Form, die Dicke der Polymermembran, die Verteilung
und Größe der Mikroporen in dieser Membran hinsichtlich ihrer
Flächendichte sowie durch die Länge des Galvanisierungsprozesses
lassen sich die vorbeschriebenen stiftförmigen Vorsprünge, die in
ihrer Gesamtheit die geordnete Mikrostruktur auf der Grundfläche
der Wärmeübertragungsfläche bilden, je nach den Erfordernissen des
Wärmeübertragungsvorganges hinsichtlich der spezifischen
Eigenschaften des Fluids (Viskosität, Wärmeleitfähigkeit,
Oberflächenspannung) so bestimmen, wie es der jeweilige
Verdampfungs- oder Kondensationsprozeß erfordert.
Dabei wird in besonders vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung als Membran eine Ionenspurmembran, auch
Kernspurfilter genannt, verwendet, wobei die Mikroporen in der
Membran durch Ionenbestrahlung sowie durch einen anschließenden
Ätzprozeß mittels einer Lauge, beispielsweise eine NaOH-Lauge,
gebildet werden.
Nach Abschluß des Galvanisierungsprozesses, d. h. nach
endgültiger Bildung der gewünschten Form und Länge der
stiftförmigen Vorsprünge wird die Membran gestrippt und dadurch
die gesamte Wärmeübertragungsfläche freigelegt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand
der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 die Schnittansicht durch eine Ionenspurfolie mit
durchgehenden Mikroporen nach der Bestrahlung und dem
Ätzprozeß,
Fig. 2 die Draufsicht von Fig. 1,
Fig. 3 den Querschnitt durch einen Körper nach dem
Aufbringen der Ionenspurmembran von Fig. 1,
Fig. 4 die Draufsicht von Fig. 3,
Fig. 5 den Querschnitt von Fig. 3 nach dem Beginn der
galvanischen Abscheidung mit der Bildung der stiftförmigen
Vorsprünge in den Mikroporen,
Fig. 6 die Draufsicht von Fig. 5,
Fig. 7 den Querschnitt von Fig. 5 nach einem längeren
Galvanisierungsprozeß und der Bildung von Halbkugeln bzw. Pilzen
am Ende der stiftförmigen Vorsprünge,
Fig. 8 die Draufsicht von Fig. 7,
Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Körper mit den aus seiner
Grundfläche herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen nach dem
Strippen der Ionenspurfolie,
Fig. 10 die Draufsicht von Fig. 9,
Fig. 11 die Ansicht von Fig. 7 nach dem Strippen der
Ionenspurfolie,
Fig. 12 die Draufsicht von Fig. 11,
Fig. 13 die flächendeckende Umwicklung eines rohrförmigen
Körpers mit einer geätzten Ionenspurmembran,
Fig. 14 die perspektivische Draufsicht auf einen
plattenförmigen Körper mit aus seiner Grundfläche herausragenden,
stiftförmigen Vorsprüngen in Form von mehreren
aufeinandergesetzten Kegelstümpfen,
Fig. 14a die perspektivische Draufsicht auf einen
plattenförmigen Körper mit senkrecht aus seiner Grundfläche
herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen in Form von Zylindern,
Fig. 14b die perspektivische Draufsicht auf einen
plattenförmigen Körper mit unter einem Winkel von etwa 60° aus
seiner Grundfläche herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen in
Form von Zylindern,
Fig. 15 die perspektivische Ansicht eines kreiszylindrischen
Rohres mit auf seiner Außenmantelfläche als Grundfläche
aufgebrachten Mikrostruktur,
Fig. 16 die Ausschnittsvergrößerung XVI von Fig. 15 mit drei
unterschiedlichen Phasen der Blasenbildung,
Fig. 17 die perspektivische, fotografische Ansicht eines
Teilausschnittes eines Körpers mit einer aufgebrachten
Mikrostruktur in Form von stiftförmigen Vorsprüngen,
Fig. 18 die perspektivische, fotografische Ansicht auf einen
Teilausschnitt eines Körpers mit einer aus seiner Grundfläche
herausragenden Mikrostruktur in Form von stiftförmigen
Vorsprüngen, deren freies Ende eine Pilzform aufweist und
Fig. 19 die Ansicht von Fig. 18 in ca. fünffacher Vergrößerung.
Gemäß den Fig. 1 und 2 wird zunächst eine Polymerfolie 1 mit
schnellen, schweren Ionen bestrahlt, deren Energien bis zu mehreren
MeV/Nukleon betragen können. Die durchdringenden Ionen
hinterlassen in ihrem Einflußbereich eine veränderte Struktur der
Polymerfolie, die sogenannte latente Ionenspur (Track). Diese
Struktur zeigt eine erhöhte Reaktionsfreudigkeit gegenüber
alkalischen Lösungen, wie z. B. einer NaOH-Lauge. Setzt man eine
derart bestrahlte Polymerfolie der Wirkung einer Lauge aus, dringt
diese entlang der Spur in die Polymerfolie mit einer bestimmten
Geschwindigkeit ein, während an der unbestrahlten Oberfläche 1a
das Eindringen der Lauge in die Polymerfolie 1 um Größenordnungen
langsamer voranschreitet. Die Bewegung der Lauge entlang der
Ionenspur bewirkt einen Ätzprozeß, der zur Bildung von
Mikroporen 2 der Polymerfolie 1 führt, deren Dicke in Abhängigkeit
vom gewählten Ätzregime zwischen 0,2 µm und 100 µm liegen kann.
Die so präparierte Ionenspurmembran 1 wird gemäß den Fig. 3
und 4 auf eine Wärmeübertragungsfläche als Grundfläche 3a eines
rohr- oder plattenförmigen Körpers 4 flächendeckend oder nur
partiell aufgebracht.
Sodann erfolgt gemäß den Fig. 5 und 6 die galvanische
Behandlung des mit der Ionenspurmembran 1 versehenen rohr- oder
plattenförmigen Körpers 4 dadurch, daß der die Grundfläche 3a
tragende Körper 4 als eine der Elektroden geschaltet wird. Die
galvanische Abscheidung findet zunächst an der gesamten, vom
Elektrolyten benetzten Oberfläche statt. Nach einer relativ kurzen
Zeitdauer, die im wesentlichen von der Rauhigkeit der
Ionenspurmembran 1 abhängt, wird diese galvanische Abscheidung
nur auf die von den Mikroporen 2 freigelassenen
Oberflächenbereiche 5 beschränkt (siehe Fig. 3).
Dadurch bilden sich die aus den Fig. 5 und 6 ersichtlichen,
stiftförmigen Vorsprünge 6 in den Mikroporen 2.
Die Form der dabei entstehenden stiftförmigen Vorsprünge 6
der Mikrostruktur 7 (siehe Fig. 14) hängt von der Form der
Mikroporen 2, deren gegenseitigen Anordnung sowie entscheidend
von der Dauer des Galvanisierungsprozesses ab. Ein kurzer
Galvanisierungsprozeß führt zu stiftförmigen Vorsprüngen 6, deren
Länge L kleiner als die Dicke D der von der Ionenspurmembran 1
gebildeten Polymerfolie ist, so wie Fig. 5 zeigt.
Bei längerem Galvanisierungsprozeß erreichen die Spitzen
dieser stiftförmigen Vorsprünge 6 die Oberfläche 6a der
Ionenspurmembran 1, wo sie sich frei, meist in Form von Kugeln,
Kalotten, Halbkugeln oder Pilzen 8, weiterentfalten können. Dies ist
in den Fig. 7 und 8 dargestellt.
Bei einem rechtzeitigen Abbruch des Galvanisierungsprozesses
können die Spitzen 6a die Oberfläche 1a der Ionenspur 1 erreichen
und haben dann eine Länge L, die der Dicke D der
Ionenspurmembran 1 entspricht; dies ist in den Fig. 9 und 10 in
Verbindung mit Fig. 5 dargestellt.
Nach dem Strippen der Ionenspurmembran 2 von Fig. 7
entsteht ein Körper 4 gemäß den Fig. 11 und 12 mit seine
Grundfläche 3a bedeckenden, stiftförmigen Vorsprüngen 6, deren
freies Ende eine Pilzform 8 aufweist. Dieses Strippen bzw. Abätzen
der Ionenspurmembran 2 erfolgt nach Abschluß des
Galvanisierungsprozesses, wodurch die metallische Mikrostruktur 7
freigelegt wird (siehe Fig. 9 und 11).
Fig. 13 illustriert die Umwicklung eines rohrförmigen Körpers 4
mit einer streifenförmigen Ionenspurmembran 1, in welcher durch
einen Ätzprozeß offene Mikroporen 2 eingebracht sind.
Fig. 14 zeigt auf einem plattenförmigen Körper 4 eine
Mikrostruktur 7 von stiftförmigen Vorsprüngen 6, die sich aus
mehreren kegelstumpfförmigen Teilabschnitten 9 zusammensetzen,
die senkrecht aus der Grundfläche 3a herausragen.
Fig. 14a zeigt die perspektivische Draufsicht auf einen
plattenförmigen Körper 4, mit einer Mikrostruktur 7 von stiftförmigen
Vorsprüngen 6 in Zylinderform, die senkrecht aus der
Grundfläche 3a herausragen. Diese Mikrostruktur 7 entspricht der
zu den Fig. 9 und 10 beschriebenen.
Fig. 14b zeigt einen plattenförmigen Körper 4 mit einer
Mikrostruktur 7 von stiftförmigen Vorsprüngen 6, die aus der
Grundfläche 3a hervorragen und zu dieser unter einem Winkel α von
60° geneigt sind.
Nach dem Strippen der Ionenspurmembran 1 kommt je nach
Form und Höhe der Mikroporen 2 sowie der Dauer des
Galvanisierungsprozesses eine Mikrostruktur 7 zum Vorschein, deren
stiftförmige Vorsprünge 6 eine zylindrische Form (z. B. gemäß Fig. 5
und 9) oder eine Pilzform (siehe Fig. 7 und 11) oder eine Kegelform
oder eine Kegelstumpfform oder eine solche von mehreren
aufeinandergesetzten Kegelstümpfen 9 gemäß Fig. 14 aufweisen. An
ihrem freien Ende können die stiftförmigen Vorsprünge 6 auch mit
einer Halbkugel, einer Kugel oder einer Kalottenform versehen sein.
Der rohrförmige Körper 4 gemäß Fig. 13 soll zur Ermöglichung
einer derartigen Mikrostruktur 7 einen Außen- oder
Innendurchmesser Da, Di von mindestens 2 mm aufweisen. Die
Dicke d (siehe Fig. 9) der stiftförmigen Vorsprünge 6 hängt im
wesentlichen von der Weite w (siehe Fig. 1) der Mikroporen 2 ab. Es
wird bewußt nicht von Durchmessern, sondern von "Dicke" und
"Weite" gesprochen, weil ein Durchmesser stets einen
Kreisdurchmeser bedeutet, was im vorliegenden Fall aufgrund der
Rauhigkeit der stiftförmigen Vorsprünge 6 an ihrer
Außenoberfläche 6b nur bedingt der Fall ist. Auch die Mikroporen 2
weisen entgegen der zeichnerischen Darstellung keineswegs eine
Kreisform auf.
Da die Länge L der Vorsprünge 6 dem gleichen
Galvanisierungsprozeß und damit der gleichen Galvanisierungszeit
unterzogen sind, sind sie auf ein und derselben Grundfläche 3a im
wesentlichen konstant. Dabei kann die Länge L der stiftförmigen
Vorsprünge 6 je nach Größe und spezifischer Funktion der
Wärmeübertragungsfläche 3 zwischen 10 µm und 195 µm liegen.
Die Dicke d (siehe Fig. 9 und 11) kann zwischen 100 µm und
0,2 µm liegen, wodurch sich entsprechend pro Flächeneinheit eine
Anzahl von stiftförmigen Vorsprüngen 6 von 102/cm2 bis 108/cm2
ausbilden kann. Erfindungswesentlich ist ferner, daß sich die
stiftförmigen Vorsprünge 6 mit ihrer Längsachse 6c (siehe Fig. 7
und 9) etwa senkrecht oder unter einem Winkel zwischen 30° und
90° zur Grundfläche 3a erstrecken.
Von der Weite w der Mikroporen 2 ist die lichte Weite W
zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 gemäß Fig. 1 und 7 zu
unterscheiden. Diese lichte Weite W liegt je nach gewünschter
Wärmeübertragungsfläche 3 zwischen 0,6 µm und 1000 µm.
Je nach der Dauer des Galvanisierungsprozesses, der Dicke D
der Ionenspurmembran 1, der Weite w der Mikroporen 2 und des
lichten Abstandes W zwischen den Mikroporen 2 und damit den
stiftförmigen Vorsprüngen 6 entsteht eine mit einer Mikrostruktur 7
versehene Wärmeübertragungsfläche 3, die sich insbesondere in
Prozessen der Phasenumwandlung als Wärmeübertragungsfläche 3
empfiehlt. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß sich die ursprüngliche
Grundfläche 3a durch die hinzutretende Oberfläche der stiftförmigen
Vorsprünge 6 erheblich vergrößert. Aus diesem Grunde wird unter
der Wärmeübertragungsfläche 3 nicht die Grundfläche 3a des rohr-
oder plattenförmigen Körpers 4 verstanden, sondern die gesamte
Wärmeübertragungsfläche, das heißt einschließlich der
Gesamtoberfläche der Mikrostruktur 7.
Um die Wirkungsweise dieser Wärmeübertragungsfläche 3 zu
verdeutlichen, wird nachfolgend auf die Fig. 15 und 16 Bezug
genommen. Der rohrförmige Körper 4 wird beispielsweise auf seiner
Innenseite 10 von einem heißen Fluid durchströmt, welches sich vom
Anfang A des Körpers 4 zum Ende E von einer
Eingangstemperatur T0 auf eine Ausgangstemperatur T1 abkühlt. Die
mit einer Mikrostruktur 7 und stiftförmigen Vorsprüngen 6 versehene
Außenseite 11 des rohrförmigen Körpers 4 soll beispielsweise von
einer Flüssigkeit beaufschlagt werden. Dabei bilden gemäß Fig. 16
die Vorsprünge 6 der Mikrostruktur 7 eine Pilzform. Gemäß der
Phase I keimt in der Nähe der Grundfläche 3a eine Blase auf, die
stetig mit der Temperaturdifferenz T0 - T1 wächst, die lichte Weite W
zwischen zwei Vorsprüngen 6 durchdringt und dort eine kleine
Blase 12 bildet. In der Phase II ist diese Blase 12 auf eine mittelgroße
Blase 13 gewachsen. In der Phase III weist die Blase 14 einen großen
Radius r auf und reißt kurze Zeit später an der Stelle 15 ab. Da
zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 stets ein Keim 16
verbleibt, kann der Zwischenraum zwischen den stiftförmigen
Vorsprüngen 6 nicht von der Flüssigkeit geflutet werden. Dieser
Keim 16 führt gemäß der Phase I zur Bildung einer erneuten
Blase 12. Der Blasenradius r gemäß der Phase III kann zwischen
2 µm und 10 µm liegen, wenn beispielsweise die lichte Weite W
zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 und deren Länge L
entsprechend ausgebildet sind (siehe auch hierzu Fig. 7 und 9).
Da zwischen der mindesterforderlichen Überhitzung T - T∞ der
siedenden Flüssigkeit auf der Außenseite 11 und dem Blasenradius r
die Abhängigkeit besteht, daß mit größer werdendem Blasenradius r
die mindesterforderliche Überhitzung T - T∞ abnimmt, wird deutlich,
daß die Wärmeübertragung aufgrund der Mikrostruktur 7 nicht nur
wegen der Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche, sondern
auch wegen der vorbeschriebenen physikalischen Gegebenheiten der
Blasenbildung erheblich ansteigt. Dabei ist gemäß Fig. 16 mit T die
Temperatur innerhalb der Blasen 12, 13, 14 und mit T∞ die
Temperatur im weiter davon entfernten Dampfraum bezeichnet.
Ganz entsprechendes gilt bei Kühlprozessen für die
Filmkondensation. Um die Wirkung des Kapillardruckes nach der in
der Beschreibungseinleitung beschriebenen Gleichung II zu
verdeutlichen, soll ein stiftförmiger Vorsprung 6 angenommen
werden, der mit einer Kondensathaut überzogen ist. Bei einer
durchmesserförmigen Weite w von 20 µm = 2r = D und einer
Oberflächenspannung σ = 10 mN/m ergibt sich Δp = L × 103
= 2000 Pa. Wenn ferner eine Länge L des stiftförmigen Vorsprunges 6
von 1 mm angenommen wird, so ergibt sich das treibende
Druckgefälle im Kondensatfilm in diesem Fall zu Δp/L = 2 × 106 Pa/m,
was die entsprechenden Werte im Bereich der üblichen
einphasigen Strömungen bei weitem übersteigt.
Die Fig. 17 bis 19 zeigen eine Wärmeübertragungsfläche 3 mit
stiftförmigen Vorsprüngen 6 in stochastischer Ordnung auf einem
Körper 4, wobei der Längenmaßstab für eine Strecke von 20 µm
eingeblendet ist. Man erkennt deutlich die Rauhigkeit der
stiftförmigen Vorsprünge 6 sowohl an ihrem freien Ende als auch an
ihrer Mantelfläche 6b.
Die Fig. 18 und 19 zeigen eine Wärmeübertragungsfläche 3 mit
stiftförmigen Vorsprüngen 6 in stochastischer Ordnung, deren freies
Ende eine Pilzform 8 aufweist. Der jeweilige Längenmaßstab von
50 µm und 5 µm ist in die Darstellung eingeblendet. Man erkennt
deutlich in sämtlichen Fig. 17 bis 19, daß bei den ausgeführten
Ausführungsformen die Vorsprünge 6 in Form von geordneten
Mikrostrukturen 7 aufgebracht sind und eine Stiftform aufweisen, die
sich mit ihrer Längsachse 6c etwa senkrecht zur Grundfläche 3a
erstreckt (siehe Fig. 5 bis 12). Dabei versteht es sich, daß je nach
Ausbildung der Ionenspurmembran 1 die Vorsprünge 6 die
Grundfläche 3a ganz oder teilweise bedecken können.
Beim Blasensieden wirkt sich die aus den Fig. 17 bis 19
ersichtliche Porosität der Mikrostruktur 7 entscheidend auf den
Wärmeübergang aus.
Die Anwendung des vorbeschriebenen Herstellungsverfahrens
ermöglicht es, die Anzahl der stiftförmigen Vorsprünge 6 pro
Flächeneinheit und die Anordnung der stiftförmigen Vorsprünge 6
und damit die Porosität der Mikrostruktur 7 durch Variation der
Dichte der Bestrahlungsionen auf die Polymermembran 1 den
Bedingungen des Blasensiedens in einer stochastischen, jedoch
geordneten Weise unter Beachtung des Ätzregimes zu verknüpfen.
Infolgedessen lassen sich optimale Bedingungen zum Blasensieden
durch die Gestaltung der Wärmeübertragungsfläche 3 im
Mikrobereich realisieren, was mit sämtlichen spanabhebenden,
mechanischen Verfahren nicht möglich ist.
Im Bereich der Kondensation können nach dem
vorbeschriebenen Galvanisierungsverfahren Kapillarstrukturen
regeneriert werden, die an der Kondensatoberfläche für die Wirkung
der Oberflächenspannung σ sorgen und den Wärmetransport
begünstigen.
1
Polymerfolie/Ionenspurmembran
1
a Oberfläche der Ionenspurmembran
1
2
Mikroporen
3
gesamte Wärmeübertragungsfläche
3
a Grundfläche
4
rohr- und plattenförmiger Körper
5
Porenoberfläche
6
stiftförmige Vorsprünge
6
a Spitzen der Vorsprünge
6
6
b Außenoberfläche der Vorsprünge
6
6
c Längsachse der Vorsprünge
6
7
Mikrostruktur
8
Pilzform der freien Enden der Vorsprünge
6
9
kegelstumpfförmige Teilabschnitte
der Vorsprünge
6
10
Innenseite des rohrförmigen Körpers
4
11
Außenseite des rohrförmigen Körpers
4
12
,
13
,
14
Blasen unterschiedlicher Größe
15
Stelle für das Abreißen der Blase
16
Keim einer Blase
A Anfang des rohrförmigen Körpers
A Anfang des rohrförmigen Körpers
4
E Ende des rohrförmigen Körpers
4
D Dicke der Polymerfolie
1
d Dicke der stiftförmigen Vorsprünge
6
Da
, Di
Außen- und Innendurchmesser des
rohrförmigen Körpers
4
α Neigungswinkel der stiftförmigen
Vorsprünge
6
zur Grundfläche
3
a
L Länge der Vorsprünge
L Länge der Vorsprünge
6
r Blasenradius
T, T0
T, T0
, T1
, T∞ Temperaturen
w Weite der Mikroporen
w Weite der Mikroporen
2
W lichte Weite zwischen den Vorsprüngen
6
Claims (17)
1. Wärmeübertragungsfläche auf rohr- oder plattenförmigen
Körpern mit einer aus der Grundfläche herausragenden
Mikrostruktur von Vorsprüngen, die mit einer Mindesthöhe von
10 µm auf die Grundfläche galvanisiert sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Grundfläche (3a) ganz oder
teilweise mit Vorsprüngen (6) bedeckt ist, daß diese Vorsprünge (6) in
Form von geordneten Mikrostrukturen (7) mittels einer mit
Mikroporen (2) versehenen Polymermembran (1) aufgebracht sind
und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (6c)
entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zwischen 30° und
90° zur Grundfläche (3a) erstreckt.
2. Wärmeübertragungsfläche nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anzahl der Vorsprünge je
Flächeneinheit in Abhängigkeit von der Dicke (d) der stiftförmigen
Vorsprünge (6) gestaltet ist und für eine Anzahl von 102/cm2 bis
108/cm2 zwischen 100 µm und 0,2 µm liegt.
3. Wärmeübertragungsfläche nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der
stiftförmigen Vorsprünge (6) auf ein und derselben
Wärmeübertragungsfläche (3) konstant ist.
4. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L)
der stiftförmigen Vorsprünge (6) je nach Größe und spezifischer
Funktion der Wärmeübertragungsfläche (3) zwischen 10 µm und
195 µm liegt.
5. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Außenkonfiguration der stiftförmigen Vorsprünge (6) bei ein und
derselben Wärmeübertragungsfläche (3) gleich ist.
6. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte
Weite (W) zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen (6) bei ein und
derselben Wärmeübertragungsfläche (3) regelmäßig ist.
7. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte
Weite (W) zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen (6) je nach
gewünschter Wärmeübertragungsfläche (3) zwischen 0,6 µm und
1000 µm liegt.
8. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen
Vorsprünge (6) die Form einer zylindrischen Säule aufweisen.
9. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen
Vorsprünge (6) als Kegel oder als Kegelstumpf gestaltet sind.
10. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen
Vorsprünge (6) mit einer Form von mehreren aufeinandergesetzter
Kegelstümpfe (9) versehen sind.
11. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen
Vorsprünge (6) mit einem zylindrischen Ständer versehen sind,
dessen freies Ende eine Pilzform (8) aufweist.
12. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen
Vorsprünge (6) einen zylindrischen Ständer bilden, dessen freies
Ende mit einer Kugel- oder Teilkugelform versehen ist.
13. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein
rohrförmiger, mit den stiftförmigen Vorsprüngen (6) versehener
Körper (4) einen Außen- oder Innendurchmesser (Da, Di) von
mindestens 2 mm aufweist.
14. Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
stiftförmigen Vorsprünge (6) aus allen galvanisch abscheidbaren
Werkstoffen herstellbar sind.
15. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche
auf rohr- oder plattenförmigen Körpern mit einer über eine
Grundfläche hervorragenden Mikrostruktur mit einer Mindesthöhe
von 10 µm von aufgalvanisierten Vorsprüngen, wobei die
Grundfläche mit einer Kunststoffolie belegt und galvanisiert wird
nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß eine mit Mikroporen (2) versehene
Polymermembran (1) als Kunststoffolie flächendeckend auf die
Grundfläche (3a) aufgebracht wird und im anschließenden
Galvanisierungsprozeß der die Grundfläche (3a) tragende Körper (4)
als eine der Elektroden geschaltet wird und nach Erreichen der
gewünschten Länge (L) und Form der sich in den Mikroporen (2)
bildenden stiftförmigen Vorsprünge (6) der Galvanisierungsprozeß
unterbrochen und sodann die Polymermembran (1) entfernt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß als Polymermembran (1) eine
Ionenspurmembran, auch Kernspurfilter genannt, verwendet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mikroporen (2) in der
Polymermembran (1) durch Ionenbestrahlung sowie in einem
anschließenden Ätzprozeß mittels einer Lauge gebildet werden.
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