DE102006023882A1 - A heat transfer device and method of manufacturing a heat transfer device - Google Patents

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Abstract

Um eine Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einem Grundkörper, eine erste Seite, an welcher ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar ist, und eine zweite Seite, welche beheizbar ist, wobei an dem Grundkörper an der ersten Seite eine Porenstruktur angeordnet ist, bereitzustellen, bei welcher der Wärmeübergangskoeffizient optimiert ist, ist vorgesehen, dass die Porenstruktur zum Grundkörper hin eine kleinere Porosität aufweist als zu einer äußeren Oberfläche hin.In order to provide a heat transfer device comprising at least one heat transfer surface element with a base body, a first side, on which a first fluid for heat absorption can be guided, and a second side, which is heatable, wherein a pore structure is arranged on the base body on the first side, in which the heat transfer coefficient is optimized, it is provided that the pore structure has a smaller porosity toward the main body than toward an outer surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einem Grundkörper, eine erste Seite, an welcher ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar ist, und eine zweite Seite, welche beheizbar ist, wobei an dem Grundkörper an der ersten Seite eine Porenstruktur angeordnet ist.The Invention relates to a heat transfer device, comprising at least one heat transfer surface element with a basic body, a first side, at which a first fluid for heat absorption passing out is, and a second side, which is heated, wherein on the base body the first side is arranged a pore structure.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einer Porenstruktur aufweist, wobei die Porenstruktur an einem Grundkörper angeordnet ist.The Invention further relates to a method of manufacturing a heat transfer device, which at least one heat transfer surface element having a pore structure, wherein the pore structure on a body is arranged.

Es hat sich gezeigt, dass man einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten bei Wärmeübertragungsvorrichtungen mit Phasenwechsel Flüssigkeit-Dampf erhält, wenn im Bereich des Blasensiedens gearbeitet wird. Dazu müssen potentielle Keimstellen für die Blasenbildung vorhanden sein. Solche potentiellen Keimstellen lassen sich über eine Porenstruktur bereitstellen.It has been shown to have a high heat transfer coefficient in heat transfer devices with phase change liquid-vapor gets when working in the field of bubble boiling. This must be potential Germination sites for the blistering be present. Such potential germinal sites can be over provide a pore structure.

Aus der DE 101 22 574 A1 ist ein Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport mit einem Basiskörper und mit einer einen Stoff- und Wärmetransport unterstützenden Schicht auf mindestens einer Bauteilfläche bekannt, wobei die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt ist. Pulverpartikel sind zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen. Durch den Grad des Anschmelzens ist der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt.From the DE 101 22 574 A1 is a component for mass and heat transport with a base body and with a material and heat transport supporting layer on at least one component surface known, wherein the coating is produced by a vacuum plasma spraying process. Powder particles are superficially melted to create a pore structure. The degree of melting determines the proportion of open and closed pores.

Aus der US 4,753,849 ist eine porös beschichtete Verdampferröhre bekannt.From the US 4,753,849 For example, a porous coated evaporator tube is known.

Die DE 40 36 932 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche, bei welchem ein Gemisch aus Partikeln eines Metallpulvers und eines Polymethylmetacrylatpulvers auf ein metallisches Substrat flammgespritzt wird. Die Partikel des Polymethylmetacrylatpulvers bilden zwischen Partikeln des Metallpulvers kleine Zwischenräume. Der hergestellte Überzug wird erhitzt, um die Partikel des Polymethylmetacrylatpulvers vom Überzug zu entfernen und an Stellen, die vorher von diesen Partikeln besetzt waren, Leerräume auszubilden.The DE 40 36 932 A1 discloses a method for producing a heat transfer surface in which a mixture of particles of a metal powder and a polymethyl methacrylate powder is flame-sprayed onto a metallic substrate. The particles of the polymethylmethacrylate powder form small spaces between particles of the metal powder. The prepared coating is heated to remove the particles of polymethyl methacrylate powder from the coating and to form voids at locations previously occupied by these particles.

Aus der EP 0 264 338 A2 ist ein Bauteil für einen Wärmeübertrager bekannt, welches eine poröse Beschichtung umfasst, wobei die Poren durch Entfernung eines flüchtigen Materials erzeugt wurden.From the EP 0 264 338 A2 For example, a component for a heat exchanger is known which comprises a porous coating, the pores being produced by removal of a volatile material.

Wärmeübertragungsvorrichtungen sind auch bekannt aus den Veröffentlichungen Asano, H., Schäfer, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H., Henne, R., 2003, "Improved Heat Transfer by RF Plasma Produced Structured Surfaces", International Thermal Spray Conference (ITSC 2003), pp. 559–566; Asano, H., Schäfer, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H. (ITW), "Development of Plasma Spray-Coated Tubes for Compact Evaporators", Fourth International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industry, Crete Island, Greece, September 29 – October 3, 2003, Engineering Conferences International, (2003); Schäfer, D., Asano, H., Müller-Steinhagen, H., Tamme, R., "Neue Hochleistungsoberflächen für Kältemittelverdampferrohre", DKV Tagung, Bonn, 19. – 21.11.2003, DKV, DKV-Tagungsbericht 2003, S. 207–220, (2003); Schäfer, D., Müller-Steinhagen, H., Tamme, R., "Einfluss Plasma-beschichteter Rohre im Rohrbündel-Verdampfer", DKV, Bremen, 17. – 19.11.2004, DKV, 257–266, (2004); Schäfer, D., Tammer, R., Müller-Steinhagen, H. and Müller, M., "Experimental Results with Novel Plasma Coated Tubes in Compact Tube Bundels", Proceedings of the Heat SET 2005 Conference, Grenoble, France, ISBN 2-9502555-0-7, pp. 487–492 (2005).Heat transfer devices are also known from the publications Asano, H., Shepherd, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H., Henne, R., 2003, "Improved Heat Transfer by RF Plasma Produced Structured Surfaces ", International Thermal Spray Conference (ITSC 2003), pp. 559-566; Asano, H., Shepherd, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H. (ITW), "Development of Plasma Spray-Coated Tubes for Compact Evaporators ", Fourth International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industry, Crete Island, Greece, September 29 - October 3, 2003, Engineering Conferences International, (2003); Schäfer, D., Asano, H., Müller-Steinhagen, H., Tamme, R., "New High Performance Surfaces for Refrigerant Evaporator Pipes ", DKV Tagung, Bonn, 19. - 21.11.2003, DKV, DKV Report 2003, pp. 207-220, (2003); Schäfer, D., Müller-Steinhagen, H., Tamme, R., "Influence Plasma-coated tubes in the tube bundle evaporator ", DKV, Bremen, 17. - 19.11.2004, DKV, 257-266, (2004); Shepherd, D., Tammer, R., Müller-Steinhagen, H. and Müller, M., "Experimental Results with Novel Plasma Coated Tubes in Compact Tube Bundles ", Proceedings of the Heat SET 2005 Conference, Grenoble, France, ISBN 2-9502555-0-7, pp. 487-492 (2005).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher der Wärmeübergangskoeffizient optimiert ist.Of the Invention is based on the object, a heat transfer device of to provide the aforementioned type, wherein the heat transfer coefficient is optimized.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Wärmeübertragungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Porenstruktur zum Grundkörper hin eine kleinere Porosität aufweist als zu einer äußeren Oberfläche hin.These Task is the invention in the heat transfer device mentioned above solved, the pore structure has a smaller porosity towards the main body as to an outer surface.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung weist die Porenstruktur eine nichthomogene Porenverteilung auf, d. h. eine nicht-homogene Porosität auf. Dadurch, dass zu einer äußeren Oberfläche hin die Porosität größer ist als zu einem Grundkörper hin, steht an der äußeren Oberfläche eine größere Anzahl von potentiellen Keimstellen bereit. Dadurch lässt sich der Wärmeübergang zwischen der Oberfläche und einer Dampfblase verbessern. Dies ist auf eine effektive Kontaktfläche und das beschleunigte Wachstum und Abriss einer Blase über die Ablösefrequenz zurückzuführen.In the solution according to the invention, the pore structure has a non-homogeneous pore distribution, ie a non-homogeneous porosity. Due to the fact that the porosity is greater towards an outer surface than towards a main body, a larger number of potential nuclei sites are available on the outer surface. This can improve the heat transfer between the surface and a vapor bubble. This is due to an effective contact surface and the accelerated growth and demolition of a bubble attributed to the removal frequency.

Die Wärmeleitfähigkeit nahe des Grundkörpers ist verbessert und die Turbulenz nahe der äußeren Oberfläche ist erhöht. Aufsteigende Dampfblasen und der steigende Volumenanteil am Dampf in Richtung der äußeren Oberfläche haben verbesserte Aufstiegsmöglichkeiten und das erste Fluid hat eine bessere Nachströmmöglichkeit. Dadurch lässt sich der Wärmeübergangskoeffizient im Vergleich zu einer Porenstruktur mit homogener Porosität verbessern.The thermal conductivity near the main body is improved and the turbulence is close to the outer surface elevated. Rising vapor bubbles and the increasing volume fraction of steam towards the outer surface improved career opportunities and the first fluid has a better Nachströmmöglichkeit. This can be done the heat transfer coefficient improve compared to a pore structure with homogeneous porosity.

Die zweite Seite kann über ein zweites Fluid beheizt sein oder beispielsweise auch elektrisch beheizt sein.The second side can over be heated a second fluid or, for example, electrically be heated.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Porosität der Porenstruktur gradiert ist, um einen verbesserten Wärmeübergang zu erhalten.Especially it is envisaged that the porosity of the pore structure grades is to improved heat transfer to obtain.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porosität von dem Grundkörper weg zu der äußeren Oberfläche hin zunimmt. Dadurch lässt sich die Wärmeleitfähigkeit nahe des Grundkörpers verbessern und der Turbulenzgrad nahe der äußeren Oberfläche lässt sich erhöhen.All it is particularly advantageous if the porosity away from the main body towards the outer surface increases. By doing so leaves the thermal conductivity near the main body improve and the degree of turbulence near the outer surface can be increase.

Es ist grundsätzlich möglich, dass die Porenstruktur beispielsweise einstückig an dem Grundkörper durch Ätzen, Sintern oder maschinell zerspanende Bearbeitung hergestellt ist. Die Porenstruktur lässt sich auf einfache Weise herstellen, wenn diese auf dem Grundkörper und insbesondere als Beschichtung auf dem Grundkörper ausgebildet ist. Eine solche Beschichtung lässt sich durch bekannte Verfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen, Lichtbogen-Drahtspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Induktionsplasmabeschichten herstellen.It is basically possible, that the pore structure, for example, in one piece on the base body by etching, sintering or machined machining is made. The pore structure let yourself Produce in a simple way, if this on the body and is formed in particular as a coating on the base body. A leaves such a coating by known methods such as atmospheric plasma spraying, arc wire spraying, high velocity flame spraying or induction plasma layers.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenstruktur flächig an dem Grundkörper angeordnet ist. Dadurch ist dafür gesorgt, dass das erste Fluid in thermischem Kontakt mit der Porenstruktur bei der Vorbeiströmung an der ersten Seite des Wärmeübertragungsflächenelements kommt.All it is particularly advantageous if the pore structure is flat the main body is arranged. That's why Ensuring that the first fluid is in thermal contact with the pore structure when passing by on the first side of the heat transfer surface element comes.

Günstig ist es, wenn die Porenstruktur eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist. Sie lässt sich dann auf einfache Weise herstellen.Cheap is it, if the pore structure is a substantially uniform thickness having. She lets then manufacture in a simple manner.

Vorteilhafterweise ist die Dicke der Porenstruktur im Bereich zwischen 5 μm und 500 μm und insbesondere im Bereich zwischen 10 μm und 300 μm. Es ist dann eine Porenstruktur bereitgestellt, welche mit hohem Ablösewiderstand an dem Grundkörper angeordnet ist und optimierte Keimbildungseigenschaften für Siedeblasen aufweist.advantageously, is the thickness of the pore structure in the range between 5 microns and 500 microns and in particular in the range between 10 μm and 300 μm. It is then provided a pore structure, which with high transfer resistance on the body is arranged and optimized nucleation properties for boiling bubbles having.

Günstig ist es, wenn die mittlere Porengröße im Bereich zwischen 1 μm und 200 μm und insbesondere im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm liegt. Dadurch lässt sich auf optimierte Weise die Blasenbildung von Siedeblasen fördern.Cheap is it, if the average pore size in the range between 1 μm and 200 μm and in particular in the range between 1 .mu.m and 100 .mu.m. This can be done Optimized way to promote bubble formation of boiling bubbles.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Porenstruktur in einem Dickenbereich von 0% bis 20% der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper, eine Porosität und insbesondere mittlere Porosität im Bereich zwischen 0% und 30% aufweist.It has proven to be advantageous when the pore structure in one Thickness range from 0% to 20% of the total thickness, starting from the Body, a porosity and in particular mean porosity in the range between 0% and 30%.

Ferner ist es günstig, wenn die Porenstruktur in einem Dickenbereich zwischen 20% und 70% der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper, eine Porosität von 20% bis 60% aufweist. Es lässt sich dann eine gradierte Porenstruktur herstellen, bei welcher die Porosität zu dem Grundkörper hin kleiner ist als zu der äußeren Oberfläche hin.Further is it cheap if the pore structure is in a thickness range between 20% and 70% the total thickness, starting from the main body, a porosity of 20% up to 60%. It leaves then produce a graded pore structure in which the porosity to the main body is smaller than towards the outer surface.

Ferner ist es günstig, wenn die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 70% und 100% der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper, mindestens um 10% größer ist als die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 20% und 70% der Gesamtdicke. Dadurch lässt sich die Bildung von Siedeblasen optimieren, wobei guter Wärmeübergang gewährleistet ist und sich die Porenstruktur auf einfache Weise herstellen lässt. Vorzugsweise ist die Porosität in dem genannten Dickenbereich kleiner als 80%.Further is it cheap if the porosity in a thickness range between 70% and 100% of the total thickness, starting from the main body, at least 10% larger as the porosity in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness. Thereby let yourself optimize the formation of boiling bubbles, with good heat transfer guaranteed is and the pore structure can be produced in a simple manner. Preferably is the porosity in said thickness range less than 80%.

Günstig ist es, wenn die Porosität der Porenstruktur höchstens 80% beträgt und insbesondere in einer oberen Lage der Porenstruktur höchstens 80% beträgt.Cheap is it, if the porosity the pore structure at most 80% and in particular in an upper layer of the pore structure at most 80%.

Beispielsweise ist die Porenstruktur mehrlagig ausgebildet, wobei sich unterschiedliche Lagen in der Porosität unterscheiden. Eine solche Porenstruktur lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem die Lagen beispielsweise als unterschiedliche Teilschichten sukzessive hergestellt werden.For example, the pore structure is formed in multiple layers, with different layers in the Distinguish porosity. Such a pore structure can be produced in a simple manner by successively producing the layers as different partial layers.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächenrauhigkeit Ra mindestens 8 μm beträgt. Dadurch lässt sich die Siedeblasenbildung an der Oberfläche optimieren.All it is particularly advantageous if the surface roughness Ra at least 8 microns. Thereby let yourself optimize boiling bubble formation on the surface.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenstruktur aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist. Dadurch lässt sich ein großer Wärmeübertragungskoeffizient erreichen.All it is particularly advantageous if the pore structure of a material high thermal conductivity and in particular metallic thermal conductivity is made. By doing so leaves a big one Heat transfer coefficient to reach.

Ferner ist es günstig, wenn der Grundkörper aus einem metallischen Material hergestellt ist. Dadurch lässt sich der Wärmeübergang von der ersten Seite auf die zweite Seite optimieren.Further is it cheap if the main body made of a metallic material. This can be done the heat transfer optimize from the first page to the second page.

Insbesondere ist die Porenstruktur mittels eines einkomponentigen Pulvermaterials hergestellt. Der Herstellungsprozess ist dadurch vereinfacht, da keine zweite Komponente herausgelöst werden muss.Especially is the pore structure by means of a one-component powder material produced. The manufacturing process is simplified because no second component needs to be removed.

Vorteilhafterweise sind die erste Seite und die zweite Seite des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements einander abgewandt. Dadurch lässt sich auf optimierte Weise Wärme von der ersten Seite auf die zweite Seite übertragen.advantageously, are the first side and the second side of the at least one heat transfer surface element turned away from each other. By doing so leaves heat in an optimized way transferred from the first page to the second page.

Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass an der zweiten Seite ein zweites Fluid zur Wärmeabgabe vorbeiführbar ist. Beispielsweise ist das Wärmeübertragungsflächenelement als Rohr ausgebildet, in dessen Innenraum das zweite Fluid vorbeiführbar ist. Es ist beispielsweise auch möglich, dass das Wärmeübertragungsflächenelement plattenförmig ausgebildet ist, wobei an einer Seite das zweite Fluid vorbeigeführt wird.at an embodiment it is provided that on the second side of a second fluid for heat passing out is. For example, the heat transfer surface element formed as a tube, in the interior of the second fluid is guided past. For example, it is also possible that the heat transfer surface element plate-shaped is formed, wherein on one side the second fluid is passed.

Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wärmeübertragungsflächenelement geschlossen ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Wärmeübertragungsflächenelement als Rohr realisiert. Innerhalb des Rohrs lässt sich ein zweites Fluid führen, wobei das erste Fluid an einer Außenseite des Rohrs vorbeigeführt wird. Die Strömungsführung kann auch umgekehrt sein, d. h. das erste Fluid wird innerhalb des Rohrs geführt und das zweite Fluid wird an einer Außenseite des Rohrs vorbeigeführt.It it can be provided that the at least one heat transfer surface element is formed closed. For example, the heat transfer surface element realized as a pipe. Inside the tube can be a second fluid to lead, wherein the first fluid is guided past an outside of the tube. The flow guide can also be the other way round, d. H. the first fluid is guided inside the tube and the second fluid is conducted past an outside of the tube.

Es ist auch möglich, dass das mindestens eine Wärmeübertragungsflächenelement offen ausgebildet ist und beispielsweise als Wärmeübertragungsplatte ausgebildet ist. Die Wärmeübertragungsplatte bildet dann einen Teil eines Plattenwärmeübertragers.It is possible, too, that the at least one heat transfer surface element is open and formed, for example, as a heat transfer plate is. The heat transfer plate then forms part of a plate heat exchanger.

Günstig ist es, wenn das erste Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit ist. Es lässt sich dann ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient erreichen.Cheap is it is when the first fluid is a vaporizable liquid. It can be then a high heat transfer coefficient to reach.

Der Wärmeübertragungskoeffizient lässt sich optimieren, wenn das erste Fluid im Bereich des Blasensiedens vorliegt.Of the Heat transfer coefficient let yourself optimize when the first fluid is in the area of bubbling.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem eine Wärmeübertragungsvorrichtung herstellbar ist, welche einen optimierten Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist.Of the The invention is further based on the object, a process for the preparation a heat transfer device of the type mentioned above, by means of which a Heat transfer device can be produced, which has an optimized heat transfer coefficient.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ausgehend von dem Grundkörper zu einer äußeren Oberfläche hin die Porenstruktur mit zunehmender Porosität hergestellt wird.These The object is achieved according to the invention in the method mentioned solved, that starting from the main body towards an outer surface the pore structure is made with increasing porosity.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.The inventive method has the already in connection with the heat transfer device according to the invention explained Advantages.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung erläutert.Further advantageous embodiments of the method according to the invention were also already explained in connection with the heat transfer device according to the invention.

Insbesondere ist die Porenstruktur als Beschichtung auf den Grundkörper aufgebracht. Die Porenstruktur lässt sich dadurch auf einfache Weise herstellen.Especially the pore structure is applied as a coating on the base body. The pore structure lets thereby produce in a simple manner.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenstruktur mehrlagig aufgebracht wird. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine gradierte Porenstruktur herstellen, bei welcher die Porosität zu dem Grundkörper hin geringer ist als zu einer äußeren Oberfläche hin.It is particularly advantageous if the pore structure is applied in multiple layers. By doing so leaves can easily produce a graded pore structure, in which the porosity is lower towards the base than towards an outer surface.

Vorteilhafterweise werden Lagen sukzessive aufgebracht, wobei sich unterschiedliche Lagen in ihren Eigenschaften und insbesondere in ihrer Porosität unterscheiden.advantageously, Layers are successively applied, with different Differentiate layers in their properties and in particular in their porosity.

Vorteilhafterweise nimmt die Porosität in sukzessive aufgebrachten Lagen bezogen auf die vorher aufgebrachte Lage zu, um eine gradierte Porenverteilung mit erhöhter Porosität zu einer äußeren Oberfläche hin zu erreichen.advantageously, takes the porosity in successively applied layers based on the previously applied Able to provide a graded pore distribution with increased porosity towards an outer surface to reach.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung mit einem Pulvermaterial und insbesondere mit einem einkomponentigen Pulvermaterial hergestellt wird. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine Porenstruktur mit definierter Porosität herstellen.All it is particularly advantageous if the coating with a powder material and in particular made with a one-component powder material becomes. It leaves thereby easily a pore structure with defined porosity produce.

Beispielsweise werden als Pulvermaterial Pulverpartikel mit einer mittleren Korngröße zwischen 40 μm und 350 μm und insbesondere zwischen 50 μm und 200 μm eingesetzt.For example are powder particles with a mean particle size between as powder material 40 μm and 350 μm and in particular between 50 microns and 200 μm used.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung mittels Hochfrequenzplasmaspritzen (Induktionsplasmaspritzen) aufgebracht wird. Beim Hochfrequenzplasmaspritzen wird ein großvolumiger Plasmastrahl erzeugt, welcher einen geringen radialen Temperaturgradienten aufweist. Ein solcher Plasmastrahl hat eine geringe Geschwindigkeit (im Vergleich zu einem Gleichstromplasmastrahl). Dadurch reduziert sich die kinetische Energie beim Aufprall von geschmolzenen oder beinahe geschmolzenen Pulverpartikeln auf die zu beschichtende Oberfläche.All it is particularly advantageous if the coating by means of high frequency plasma spraying (Induction plasma spraying) is applied. In high-frequency plasma spraying will be a large volume Plasma jet generated, which has a low radial temperature gradient having. Such a plasma jet has a low velocity (compared to a DC plasma jet). This reduces the kinetic energy on impact of molten or almost melted powder particles on the surface to be coated.

Günstig ist es, wenn die Porosität über Variation des aufgebrachten Materials und/oder einer Plasmastrahlgeschwindigkeit und/oder einer Beschichtungszeit und/oder der Leistung eines Hochfrequenzgenerators und/oder des Abstands zwischen Probe und einer Plasmadüse und/oder des Drucks und/oder Gasbeimischung eingestellt wird. Dadurch lässt sich eine definierte Porenstrukturgradierung einstellen.Cheap is it, if the porosity over variation the applied material and / or a plasma jet velocity and / or a coating time and / or the power of a high frequency generator and / or the distance between the sample and a plasma nozzle and / or the pressure and / or Gas admixture is set. This allows a defined pore structure grading to adjust.

Günstig ist es, wenn der Druck beim Aufbringen im Bereich zwischen 80 mbar und 1 bar liegt und insbesondere zwischen 200 mbar und 300 mbar liegt. Dadurch lässt sich eine optimierte Porenstruktur erzeugen.Cheap is it if the pressure when applied in the range between 80 mbar and 1 bar and is in particular between 200 mbar and 300 mbar. By doing so leaves create an optimized pore structure.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigenThe The following description of preferred embodiments is used in conjunction with the drawing of the closer explanation the invention. Show it

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung; 1 a schematic representation of an embodiment of a heat transfer device according to the invention;

2 eine schematische Darstellung des Bereichs A gemäß 1 in Schnittdarstellung; 2 a schematic representation of the area A according to 1 in sectional view;

3 ein Schnittbild einer Porenstruktur aus Cu; 3 a sectional view of a pore structure of Cu;

4 eine rasterelektronenmikroskopische Oberflächenaufnahme eines Ausführungsbeispiels einer Porenstruktur aus Cu; 4 a scanning electron micrograph of an embodiment of a pore structure of Cu;

5(a), 5(b), 5(c) Messdiagramme der Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmestromdichte eines Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche als Rohr ausgebildet ist, bei verschiedenen Zusammensetzungen der Porenstruktur (Messwerte A, B, C, D, E) bei verschiedenen Temperaturen und Drücken; und 5 (a) . 5 (b) . 5 (c) Measurement diagrams of the dependence of the heat transfer coefficient of the heat flow density of an embodiment of a heat transfer device, which is designed as a tube, with different compositions of the pore structure (measurements A, B, C, D, E) at different temperatures and pressures; and

6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung. 6 a schematic representation of an embodiment of an apparatus for producing a heat transfer device.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist ein Rohr 12, welches in 1 in einer Schnittansicht gezeigt ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 umfasst ein Wärmeübertragungsflächenelement 14, welches geschlossen ist. Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 trennt einen Innenraum 16 von einem Außenraum 18. Die Bezeichnung Außenraum 18 bezieht sich dabei auf das Wärmeübertragungsflächenelement 14. Der Außenraum 18 kann selber beispielsweise Teil eines Innenraums eines Rohrs sein, in welchem das erste Fluid geführt ist.An embodiment of a heat transfer device according to the invention 10 is a pipe 12 which is in 1 is shown in a sectional view. The heat transfer device 10 comprises a heat transfer surface element 14 which is closed. The heat transfer surface element 14 separates an interior 16 from an outdoor space 18 , The term outdoor space 18 refers to the heat transfer surface element 14 , The outdoor space 18 itself may for example be part of an interior of a tube in which the first fluid is guided.

Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 erstreckt sich in einer Längsrichtung, welche quer zur Zeichenebene der 1 ist.The heat transfer surface element 14 extends in a longitudinal direction, which transverse to the plane of the 1 is.

Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 hat eine erste Seite 20, welche in den Außenraum 18 weist. An der ersten Seite 20 ist ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar.The heat transfer surface element 14 has a first page 20 which are in the outdoor area 18 has. At the first page 20 a first fluid for heat absorption can be guided past.

Es ist dabei vorgesehen, dass das erste Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit ist, wobei das erste Fluid im Zustand des Blasensiedens vorliegt.It is provided that the first fluid is an evaporable liquid wherein the first fluid is in the nucleate boiling condition.

Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 weist ferner eine zweite Seite 22 auf, welche dem Innenraum 16 zugewandt ist; durch die zweite Seite 22 ist der Innenraum 16 gebildet. Die zweite Seite 22 und die erste Seite 20 sind einander abgewandt. Die zweite Seite 22 ist beheizbar. Beispielsweise ist an der zweiten Seite 22 ein zweites Fluid zur Wärmeabgabe vorbeiführbar.The heat transfer surface element 14 also has a second page 22 on which the interior 16 is facing; through the second page 22 is the interior 16 educated. The second page 22 and the first page 20 are turned away from each other. The second page 22 is heated. For example, on the second page 22 a second fluid for heat transfer past.

Über das Wärmeübertragungsflächenelement 14 wird Wärme von dem zweiten Fluid auf das erste Fluid übertragen. Das zweite Fluid ist eine Flüssigkeit oder ein Gas. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die zweite Seite 22 beispielsweise elektrisch beheizt ist.About the heat transfer surface element 14 Heat is transferred from the second fluid to the first fluid. The second fluid is a liquid or a gas. Basically, it is also possible that the second page 22 for example, is electrically heated.

Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 weist einen Grundkörper 24 auf. Dieser ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet. Insbesondere ist er aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Grundkörper 24 aus einem metallischen Material wie beispielsweise Kupfer hergestellt ist.The heat transfer surface element 14 has a basic body 24 on. This is tubular in the embodiment shown. In particular, it is made of a material of high thermal conductivity and in particular metallic thermal conductivity. It is preferably provided that the basic body 24 is made of a metallic material such as copper.

An der zweiten Seite 22 ist an dem Grundkörper 24 in den Außenraum 18 weisend eine Porenstruktur 26 angeordnet. Die Porenstruktur ist dabei flächig an dem Grundkörper 24 angeordnet und bedeckt diesen insbesondere vollständig, so dass das erste Fluid über die Porenstruktur 26 in thermischem Kontakt mit dem Wärmeübertragungsflächenelement 14 steht.At the second page 22 is on the body 24 in the outside space 18 showing a pore structure 26 arranged. The pore structure is flat on the body 24 in particular, completely and completely covers it, so that the first fluid flows over the pore structure 26 in thermal contact with the heat transfer surface element 14 stands.

Es ist grundsätzlich möglich, dass die Porenstruktur 26 einstückig an dem Grundkörper 24 angeordnet ist.It is basically possible that the pore structure 26 integral to the body 24 is arranged.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Porenstruktur 26 als Beschichtung auf dem Grundkörper 24 ausgebildet.In an advantageous embodiment, the pore structure 26 as a coating on the base body 24 educated.

Die Porenstruktur weist eine im Wesentlichen einheitliche Dicke auf, welche im Bereich zwischen 5 μm und 500 μm und insbesondere im Bereich zwischen 10 μm und 300 μm liegt.The Pore structure has a substantially uniform thickness, which in the range between 5 microns and 500 μm and especially in the range between 10 microns and 300 microns.

Es hat sich gezeigt, dass sich hohe Wärmeübergangskoeffizienten an einer Wärmeübertragungsvorrichtung 10 erzielen lassen, wenn bei dem ersten Fluid der Zustand des Blasensiedens vorliegt. Die Porenstruktur 26 stellt potentielle Keimstellen für die Blasenbildung bereit.It has been shown that high heat transfer coefficients on a heat transfer device 10 can be achieved if the state of the bubbling is present in the first fluid. The pore structure 26 provides potential nucleation sites for blistering.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Porenstruktur 26 einen gradierten Schichtaufbau aufweist. Dies ist in 2 schematisch dargestellt. Die Porosität zu dem Grundkörper 24 hin ist kleiner als zu einer äußeren Oberfläche 30 hin, welche dem Außenraum 18 zuweist. Die Porosität nimmt dadurch in einer Richtung 31 von dem Grundkörper 24 weg zu.According to the invention, it is provided that the pore structure 26 has a graded layer structure. This is in 2 shown schematically. The porosity to the body 24 towards is smaller than to an outer surface 30 towards the outside 18 assigns. The porosity thereby decreases in one direction 31 from the main body 24 away too.

Die Porenstruktur 26 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und insbesondere mit metallischer thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Mögliche Materialien sind beispielsweise Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Titan, Graphit oder Graphit-Platik.The pore structure 26 is preferably made of a material with high thermal conductivity and in particular with metallic thermal conductivity. Possible materials are for example copper, aluminum, stainless steel, titanium, graphite or graphite-plastic.

Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, dass die Porengröße von dem Grundkörper 24 weg in der Porenstruktur 26 zu der äußeren Oberfläche 30 hin zunimmt.It is in principle also possible that the pore size of the body 24 away in the pore structure 26 to the outer surface 30 increases.

Eine variierende Porosität der Porenstruktur 26 lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die Beschichtung 28 mehrlagig hergestellt wird. Dies ist in 2 durch die Lagen 32, 34 und 36 angedeutet. Diese Lagen 32, 34, 36 werden sukzessive hergestellt, d. h. zuerst wird die Lage 32 auf dem Grundkörper 4 hergestellt, danach die Lage 34 auf der Lage 32 und anschließend die Lage 36 auf der Lage 34. Die Lagen 32, 34 und 36 unterscheiden sich vor allem durch ihre Porosität. Diese wird durch die Art und Weise der Herstellung eingestellt.A varying porosity of the pore structure 26 can be achieved for example by the fact that the coating 28 is produced in several layers. This is in 2 through the layers 32 . 34 and 36 indicated. These layers 32 . 34 . 36 are produced successively, ie the situation first 32 on the body 4 produced, then the situation 34 on the location 32 and then the location 36 on the location 34 , The layers 32 . 34 and 36 differ mainly by their porosity. This is set by the way of manufacture.

Die (mittlere) Porengröße in der Porenstruktur 26 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 μm und 200 μm und insbesondere zwischen 1 μm und 100 μm.The (average) pore size in the pore structure 26 is preferably in the range between 1 .mu.m and 200 .mu.m and in particular between 1 .mu.m and 100 .mu.m.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die Porenstruktur 26 in einem Dickenbereich von 0% bis 20% der Gesamtdicke, welcher der Lage 32 in 2 entspricht, eine Porosität im Bereich zwischen 0% und 30% aufweist. In einem Dickenbereich zwischen 20% und 70% der Gesamtdicke, welcher der Lage 34 entspricht, liegt die Porosität zwischen 20% und 60%. In einem Dickenbereich zwischen 70% und 100% der Gesamtdicke, entsprechend der Lage 36, ist die Porosität um mindestens 10% größer als die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 20% und 70% der Gesamtdicke (entsprechend der Lage 34). Jedoch ist in dem Dickenbereich zwischen 70% und 100% die Porosität nicht größer als 80%.In one embodiment, it is provided that the pore structure 26 in a thickness range of 0% to 20% of the total thickness of which layer 32 in 2 corresponds to a porosity in the range between 0% and 30%. In a thickness range between 20% and 70% of the total thickness of which layer 34 corresponds, the porosity is between 20% and 60%. In a thickness range between 70% and 100% of the total thickness, according to the situation 36 , the porosity is at least 10% greater than the porosity in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness (according to the location 34 ). However, in the thickness range between 70% and 100%, the porosity is not larger than 80%.

Die oben genannten Angaben bezüglich der Dickenbereiche müssen nicht unbedingt mit den Lagenbereichen zusammenfallen.The above information the thickness ranges must not necessarily coincide with the layer areas.

Durch die Porenstruktur 26 mit ihrer höheren Porosität an der äußeren Oberfläche 30 wird eine vergrößerte Anzahl an optimalen potentiellen Keimstellen bereitgestellt. Weiterhin wird der Wärmeübergang zwischen der äußeren Oberfläche 30 und einer Dampfblase verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die effektive Kontaktfläche vergrößert ist und das Wachstum und der Abriss einer Siedeblase über die Ablösefrequenz beschleunigt ist.Through the pore structure 26 with their higher porosity on the outer surface 30 an increased number of optimal potential germinal sites is provided. Furthermore, the heat transfer between the outer surface 30 and a steam bubble improved. This is due to the fact that the effective contact area is increased and the growth and the demolition of a boiling bubble on the Ablösefrequenz is accelerated.

Durch die gradierte Porosität der Porenstruktur 26 mit geringerer Porosität zu dem Grundkörper 24 hin ist die Wärmeleitfähigkeit nahe an dem Grundkörper 24 verbessert. Durch die höhere Porosität an der äußeren Oberfläche 30 ist der Turbulenzgrad nahe der äußeren Oberfläche 30 erhöht. Damit haben aufsteigende Dampfblasen und der steigende Volumenanteil an Dampf in Richtung der äußeren Oberfläche 30 verbesserte Aufstiegsmöglichkeiten. Dadurch wiederum hat das erste Fluid eine bessere Nachströmmöglichkeit.Due to the graded porosity of the pore structure 26 with lower porosity to the body 24 towards the heat conductivity is close to the body 24 improved. Due to the higher porosity on the outer surface 30 is the degree of turbulence near the outer surface 30 elevated. This has rising vapor bubbles and the increasing volume fraction of vapor towards the outer surface 30 improved career opportunities. In turn, the first fluid has a better Nachströmmöglichkeit.

Die Oberflächenrauhigkeit Ra (gemäß DIN 4768) ist größer als 8 μm.The surface roughness Ra (according to DIN 4768) is bigger than 8 μm.

In 3 ist ein Schnittbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Porenstruktur 26 gezeigt. Das Material der Porenstruktur 26 ist Kupfer. Die Porosität ist gradiert, d. h. sie nimmt in der Richtung 31 zu. Insbesondere ist die Porosität zu dem Grundkörper 24 hin hier kleiner als zu der äußeren Oberfläche 30 zu.In 3 is a sectional view of an embodiment of a pore structure according to the invention 26 shown. The material of the pore structure 26 is copper. The porosity is graded, ie it takes in the direction 31 to. In particular, the porosity to the main body 24 here smaller than to the outer surface 30 to.

4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Oberflächenaufnahme der Porenstruktur gemäß 3 (Vergrößerung 3500:1). Man erkennt eine Pore mit einem Porendurchmesser von 14 μm. 4 shows a scanning electron micrograph of the pore structure according to 3 (Magnification 3500: 1). One recognizes a pore with a pore diameter of 14 μm.

Bei konkreten Ausführungsbeispielen der Erfindung wurden Kupferrohre mit einer porösen Beschichtung versehen. Die Kupferrohre wiesen einen Außendurchmesser von 18 mm und eine Länge von 350 mm auf.at concrete embodiments In the invention, copper pipes were provided with a porous coating. The copper tubes had an outer diameter of 18 mm and a length of 350 mm.

Es wurden Rohre mit folgenden Eigenschaften hergestellt:

Figure 00180001
Tubes with the following properties were produced:
Figure 00180001

Die Porenstruktur wurde dabei mit gradierter Porosität hergestellt. Die in der Tabelle angegebene Spalte mit der Porosität bezieht sich auf die Gesamtporosität.The Pore structure was produced with graded porosity. The in the table indicated column with porosity refers to the total porosity.

Die 5(a), 5(b) und 5(c) zeigen Messergebnisse des Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit der Wärmestromdichte. Die Messwerte der 5(a) wurden für eine Temperatur Ts von 20°C und einem Druck Ps von 572,3 kPa aufgenommen. Die Messwerte des Diagramms von 5(b) wurden bei einer Temperatur von Ts von 0°C und einem Druck Ps von 292,2 kPa aufgenommen. Die Messwerte gemäß 5(c) wurden bei einer Temperatur Ts von –20°C und einem Druck Ps von 129,9 kPa aufgenommen. In dem Zweiphasengemisch (zweites Fluid) war Tetrafluorethan (R134a) enthalten.The 5 (a) . 5 (b) and 5 (c) show measurement results of the heat transfer coefficient as a function of the heat flux density. The measured values of the 5 (a) were recorded for a temperature T s of 20 ° C and a pressure P s of 572.3 kPa. The measured values of the diagram of 5 (b) were at a temperature of T s of 0 ° C and a pressure P s of 292.2 kPa recorded. The measured values according to 5 (c) were recorded at a temperature T s of -20 ° C and a pressure P s of 129.9 kPa. The two-phase mixture (second fluid) contained tetrafluoroethane (R134a).

In den 5(a) bis (c) ist mit dem Bezugszeichen 38 die theoretische Kurve für ein glattes Rohr angedeutet. Man erkennt, dass durch das Vorsehen einer Porenstruktur 26 (mit gradiertem Aufbau) ein deutlich höherer Wärmeübergangskoeffizient erreichbar ist.In the 5 (a) to (c) is denoted by the reference numeral 38 the theoretical curve for a smooth pipe indicated. It can be seen that by providing a pore structure 26 (with graded structure) a significantly higher heat transfer coefficient can be achieved.

Ferner ist zum Vergleich mit dem Bezugszeichen 40 die theoretische Kurve für freie Konvektion (ohne Blasensieden) dargestellt.Further, for comparison with the reference numeral 40 the theoretical curve for free convection (without nucleate boiling) is shown.

Den höchsten Wärmeübergangskoeffizienten erhält man für kleine Wärmestromdichten mit dem Rohr A. Für größere Wärmestromdichten werden die Rohre D und E vorteilhafter.The highest Heat transfer coefficient receives one for one small heat flux densities with the tube A. For larger heat flux densities the pipes D and E become more advantageous.

Bei der Herstellung einer Porenstruktur 26 aus Kupferpartikeln hat sich gezeigt, dass Keimstellen einer Porengröße 0,2 μm und 100 μm gebildet wurden, die näherungsweise homogen in der Porenstruktur 26 verteilt sind. Die kleineren Poren sind eventuell auf Einschlüsse im Kupfer zurückzuführen und die größeren Poren auf Agglomerate. Die gradierte Struktur ist durch die Restporen hergestellt.In the production of a pore structure 26 From copper particles it has been found that nucleation sites of a pore size of 0.2 μm and 100 μm were formed, which are approximately homogeneous in the pore structure 26 are distributed. The smaller pores may be due to inclusions in copper and larger pores to agglomerates. The graded structure is made by the residual pores.

Die Porenstruktur 26 mit gradiertem Aufbau lässt sich grundsätzlich durch verschiedene Verfahren wie beispielsweise Sintern, Ätzen oder maschinell zerspanend herstellen.The pore structure 26 With graded structure can be basically by various methods such as sintering, etching or machining by machining.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird die Beschichtung 28 mehrlagig über Hochfrequenzplasmaspritzen (Induktionsplasmaspritzen) hergestellt. In 6 ist schematisch eine entsprechende Vorrichtung gezeigt. Diese Vorrichtung umfasst einen Vakuumkessel 42, in welchem eine zu beschichtende Probe 44 positionierbar ist. Bei der Probe 44 handelt es sich beispielsweise um ein Rohr. Die Probe 44 ist in dem Vakuumkessel 42 beweglich angeordnet. Insbesondere ist sie drehbar (in 6 durch das Bezugszeichen 46 angedeutet) und längsverschieblich (in 6 durch das Bezugszeichen 48 angedeutet), um eine gleichmäßige Beschichtung einer Oberfläche 50 der Probe 44 zu erhalten.In an advantageous method, the coating 28 multilayered via high frequency plasma syringes (induction plasma syringes). In 6 schematically a corresponding device is shown. This device comprises a vacuum vessel 42 in which a sample to be coated 44 is positionable. In the sample 44 For example, it is a pipe. The sample 44 is in the vacuum kettle 42 movably arranged. In particular, it is rotatable (in 6 by the reference numeral 46 indicated) and longitudinally displaceable (in 6 by the reference numeral 48 indicated) to a uniform coating of a surface 50 the sample 44 to obtain.

An den Vakuumkessel 42 ist ein Hochfrequenz-Plasmabrenner 50 angeschlossen, über welchen sich ein Plasmastrahl 52 herstellen lässt. Der Hochfrequenz-Plasmabrenner 50 umfasst dazu eine oder mehrere Induktionsspulen 54, durch welche ein Arbeitsgas (wie beispielsweise Argon, Helium oder Wasserstoff) zur Plasmabildung angeregt wird. Eine typische Anregungsfrequenz der Induktionsspule 54 liegt bei 500 kHz.To the vacuum kettle 42 is a high-frequency plasma torch 50 connected, over which a plasma jet 52 can be produced. The high frequency plasma torch 50 includes one or more induction coils 54 , by which a working gas (such as argon, helium or hydrogen) is excited to plasma formation. A typical excitation frequency of the induction coil 54 is 500 kHz.

In das Plasma wird mittels eines Trägergases wie beispielsweise Argon ein Pulvermaterial eingeführt. Es lässt sich dadurch ein Plasmastrahl mit dem Pulver herstellen. Der Plasmastrahl 52 wird auf die Probe 44 gerichtet, um die Beschichtung aufzubringen. Das Pulver lässt sich auf die Probe 44 aufschmelzen, um die Porenstruktur 26 herzustellen.A powder material is introduced into the plasma by means of a carrier gas, such as argon. It can thereby produce a plasma jet with the powder. The plasma jet 52 will be put to the test 44 directed to apply the coating. The powder can be tested 44 melt to the pore structure 26 manufacture.

Es ist vorgesehen, dass vor dem Einbringen der Probe 44 in den Vakuumkessel 42 diese sandgestrahlt wird und gereinigt wird.It is envisaged that before introducing the sample 44 in the vacuum kettle 42 This is sandblasted and cleaned.

Die Druckbedingungen bei der Beschichtung der Probe 44 in dem Vakuumkessel 42 liegen typischerweise bei 80 mbar bis 1 bar und vorzugsweise bei 200 mbar bis 300 mbar.The pressure conditions when coating the sample 44 in the vacuum kettle 42 typically are at 80 mbar to 1 bar and preferably at 200 mbar to 300 mbar.

Um eine gradierte Porenstruktur 26 herzustellen, werden sukzessive unterschiedliche Lagen aufgebracht. Die Lagen unterscheiden sich in ihrer Porosität. Die Porosität lässt sich dadurch einstellen, dass unterschiedliche Pulvermaterialien und/oder unterschiedliche Beschichtungszeiten und/oder unterschiedliche Geschwindigkeiten des Plasmastrahls 52 eingestellt werden. Ferner ist eine Einstellung der Porosität möglich über Leistungsvariation des Hochfrequenzgenerators und/oder Variation des Abstands zwischen einer Plasmadüse und der Probe 44 und/oder Druckvariation und/oder Gasbeimischungen.To get a graded pore structure 26 produce successively different layers are applied. The layers differ in their porosity. The porosity can be adjusted by using different powder materials and / or different coating times and / or different speeds of the plasma jet 52 be set. Furthermore, an adjustment of the porosity is possible via power variation of the high frequency generator and / or variation of the distance between a plasma nozzle and the sample 44 and / or pressure variation and / or gas admixtures.

Nach der Herstellung einer Lage wird abhängig von der Schichtdicke eine Ruhezeit eingehalten, bevor die nächste Lage sukzessiv hergestellt ist. Eine typische Größenordnung einer solchen Ruhezeit liegt bei 2 min.To the production of a layer becomes dependent on the layer thickness Rest period met before the next layer produced successively is. A typical order of magnitude such a rest period is 2 min.

Durch das Aufbringen einer Lage auf eine darunter liegende Lage wird die darunter liegende Lage auch weiter verdichtet.By the application of a layer to an underlying layer is the underlying situation also further compressed.

Ein Vorteil des Hochfrequenzplasmaspritzens liegt darin, dass sich ein großvolumiger Plasmastrahl 52 herstellen lässt, welcher einen geringen radialen Temperaturgradienten aufweist. Die Geschwindigkeit des Plasmastrahls 52 ist im Vergleich zu einem Gleichstromplasmastrahl relativ gering. Dadurch ist die kinetische Energie beim Aufprall von geschmolzenen oder beinahe geschmolzenen Pulverpartikeln auf die zu beschichtende Oberfläche der Probe 44 relativ gering.An advantage of high-frequency plasma spraying is that a large-volume plasma jet 52 can manufacture, which has a low radial temperature gradient. The speed of the plasma jet 52 is relatively low compared to a DC plasma jet. As a result, the kinetic energy on impact of molten or nearly molten powder particles on the surface of the sample to be coated 44 relatively low.

Beispielsweise wurden Pulver verwendet wie das Kupferpulver Alpha Aeser, Lot 4323214, –155 +45 μm oder kommerzielles Inconell 625, –150 +45 μm.For example Powders were used such as the copper powder Alpha Aeser, Lot 4323214, -155 +45 microns or commercial Inconell 625, -150 +45 μm.

Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann beispielsweise auch als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein, wobei dann das entsprechende Wärmeübertragungsflächenelement eine Wärmeübertragungsplatte ist.The Heat transfer device may for example be designed as a plate heat exchanger, then the corresponding heat transfer surface element a heat transfer plate is.

Claims (37)

Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement (14) mit einem Grundkörper (24), eine erste Seite (20), an welcher ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar ist, und eine zweite Seite (22), welche beheizbar ist, wobei an dem Grundkörper (24) an der ersten Seite (20) eine Porenstruktur (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) zum Grundkörper (24) hin eine kleinere Porosität aufweist als zu einer äußeren Oberfläche (30) hin.Heat transfer device comprising at least one heat transfer surface element ( 14 ) with a basic body ( 24 ), a first page ( 20 ), at which a first fluid for heat absorption is passable, and a second side ( 22 ), which is heatable, wherein on the base body ( 24 ) on the first page ( 20 ) a pore structure ( 26 ), characterized in that the pore structure ( 26 ) to the main body ( 24 ) has a smaller porosity than to an outer surface ( 30 ). Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Porenstruktur (26) gradiert ist.Heat transfer device according to claim 1, characterized in that the porosity of the pore structure ( 26 ) is graded. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität von dem Grundkörper (24) weg zu der äußeren Oberfläche (30) hin zunimmt.Heat transfer device according to claim 1 or 2, characterized in that the porosity of the main body ( 24 ) away to the outer surface ( 30 ) increases. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) als Beschichtung auf dem Grundkörper (24) ausgebildet ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) as a coating on the base body ( 24 ) is trained. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) flächig an dem Grundkörper (24) angeordnet ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) flat on the base body ( 24 ) is arranged. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) has a substantially uniform thickness. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Porenstruktur (26) im Bereich zwischen 5 μm und 500 μm liegt.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the pore structure ( 26 ) is in the range between 5 microns and 500 microns. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Porengröße im Bereich zwischen 1 μm und 200 μm liegt.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the mean pore size in the range between 1 μm and 200 μm lies. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) in einem Dickenbereich von 0% bis 20% der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper (24), eine Porosität im Bereich zwischen 0% und 30% aufweist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) in a thickness range of 0% to 20% of the total thickness, starting from the base body ( 24 ), has a porosity in the range between 0% and 30%. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) in einem Dickenbereich zwischen 20% und 70% der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper (24), eine Porosität von 20% bis 60% aufweist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness, starting from the base body ( 24 ), has a porosity of 20% to 60%. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 70% und 100% der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper (24), mindestens um 10% größer ist als die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 20% und 70% der Gesamtdicke.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the porosity in a thickness range between 70% and 100% of the total thickness, starting from the base body ( 24 ) is at least 10% greater than the porosity in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Porenstruktur (26) höchstens 80% beträgt.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the porosity of the pore structure ( 26 ) is at most 80%. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (24) mehrlagig ausgebildet ist, wobei sich unterschiedliche Lagen (32, 34, 36) in der Porosität unterscheiden.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 24 ) is multi-layered, with different layers ( 32 . 34 . 36 ) in the Distinguish porosity. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit mindestens 8 μm beträgt.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface roughness at least 8 μm is. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) is made of a material of high thermal conductivity. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (24) aus einem metallischen Material hergestellt ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the basic body ( 24 ) is made of a metallic material. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) mittels eines einkomponentigen Pulvermaterials hergestellt ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the pore structure ( 26 ) is produced by means of a one-component powder material. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (20) und die zweite Seite (22) des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements (14) einander abgewandt sind.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the first side ( 20 ) and the second page ( 22 ) of the at least one heat transfer surface element ( 14 ) are facing away from each other. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Seite (22) ein zweites Fluid zur Wärmeabgabe vorbeiführbar ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that on the second side ( 22 ) A second fluid for heat dissipation is guided past. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens Wärmeübertragungsflächenelement (14) geschlossen ausgebildet ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least heat transfer surface element ( 14 ) is closed. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements (14) ein Rohr (12) gebildet ist.Heat transfer device according to claim 20, characterized in that by means of the at least one heat transfer surface element ( 14 ) a pipe ( 12 ) is formed. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeübertragungsflächenelement offen ausgebildet ist.Heat transfer device according to one of the claims 1 to 18, characterized in that the at least one heat transfer surface element is open. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements eine Wärmeübertragungsplatte gebildet ist.Heat transfer device according to claim 22, characterized in that by means of at least a heat transfer surface element a heat transfer plate is formed. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit ist.Heat transfer device according to one of the preceding claims, characterized in that the first fluid is a vaporizable liquid. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid im Bereich des Blasensiedens vorliegt.Heat transfer device according to claim 24, characterized in that the first fluid in the range the bubbling is present. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einer Porenstruktur aufweist, wobei die Porenstruktur an einem Grundkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Grundkörper zu einer äußeren Oberfläche hin die Porenstruktur mit zunehmender Porosität hergestellt wird.Method for producing a heat transfer device, which at least one heat transfer surface element having a pore structure, wherein the pore structure on a body is arranged, characterized in that starting from the base body to an outer surface the pore structure is made with increasing porosity. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur als Beschichtung auf den Grundkörper aufgebracht wird.Method according to claim 26, characterized in that that the pore structure applied as a coating on the base body becomes. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur mehrlagig aufgebracht wird.Method according to Claim 27, characterized that the pore structure is applied in multiple layers. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass Lagen sukzessive aufgebracht werden.Method according to Claim 28, characterized that layers are applied successively. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Lagen sich in der Porosität unterscheiden.Method according to claim 28 or 29, characterized that different layers differ in porosity. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in sukzessive aufgebrachten Lagen bezogen auf die vorher aufgebrachte Lage zunimmt.Method according to claim 30, characterized in that that the porosity in successively applied layers based on the previously applied Situation is increasing. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einem Pulvermaterial hergestellt wird.Method according to one of claims 26 to 31, characterized that the coating is made with a powder material. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial einkomponentig ist.Method according to claim 32, characterized in that that the powder material is one-component. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial Pulverpartikel mit einer mittleren Korngröße aufweist, welche zwischen 40 μm und 350 μm liegt.A method according to claim 32 or 33, characterized that the powder material has powder particles with an average particle size, which between 40 microns and 350 μm lies. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Hochfrequenzplasmaspritzen aufgebracht wird.Method according to one of Claims 26 to 34, characterized that applied the coating by means of high frequency plasma spraying becomes. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität über Variation des aufgebrachten Materials und/oder einer Plasmastrahlgeschwindigkeit und/oder einer Beschichtungszeit und/oder der Leistung eines Hochfrequenzgenerators und/oder des Abstands zwischen Probe und einer Plasmadüse und/oder des Drucks und/oder Gasbeimischung eingestellt wird.Process according to claim 35, characterized in that that the porosity is over variation the applied material and / or a plasma jet velocity and / or a coating time and / or the power of a high-frequency generator and / or the distance between the sample and a plasma nozzle and / or of the pressure and / or gas admixture is adjusted. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Aufbringen im Bereich zwischen 80 mbar und 1 bar liegt.Method according to one of Claims 26 to 36, characterized that the pressure when applied in the range between 80 mbar and 1 bar is located.
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