DE102006028372A1

DE102006028372A1 - Wärmeübertrager, insbesondere Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohr

Info

Publication number: DE102006028372A1
Application number: DE102006028372A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Phys. Burk
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere ein Sorptions- (101), Reaktions- und/oder Wärmerohr (1), mit einer Vielzahl von Fasern (6; 106), wobei eine Mehrzahl der Fasern (6; 106 und 106') mit ihrem einen Ende an oder in der Wand angebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere ein Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohr, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Wärmerohren (heatpipes) erfolgt der Wärmetransport durch ein axial zirkulierendes Fluid das dabei Phasenwechsel durchläuft. So wird bei einem bekannten Wärmerohr Wasser als Fluid im wärmeaufnehmenden Teil verdampft und gelangt als Wasserdampf durch den eigentlichen – gut isolierten – Transportteil in die Abgabezone, wo es unter Wärmefreisetzung kondensiert. Durch Kapillarkräfte (und gegebenenfalls Schwerkraft) gelangt die Flüssigkeit in einem die Rohrinnenwand bedeckenden Metalldrahtgeflecht, dem sogenannten Docht, zum Aufnahmeteil zurück. Derartige Wärmerohre können einen um 3 bis 4 Größenordnungen größeren Wärmestrom transportieren als zum Beispiel ein Kupferstab gleicher Dicke und wirken bei Schwerkraftrückführung des Kondensats zusätzlich wie ein Wärmeventil, weil der Wärmestrom nur in eine Richtung fließen kann. Der Wärmetransport wird durch den Druckunterschied zwischen Verdampfungs- und Kondensationszone bewirkt und funktioniert auch bei kleinen Temperaturunterschieden.

Aus der WO 00/66954 A1 ist ein Sorptionswärmeübertrager bekannt, der mit einem Substrat versehen ist, das ein Sorptionsmittel zur Reaktion mit einem polaren gasförmigen Kältemittel oder Wasserstoff enthält. Hierbei ist ein Stapel mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsflächen aufweisenden Platten mit einem Wärmeträgerkanal verbunden, wobei je zwei dieser Platten im Reaktionsraum zwischen sich Scheiben aus dem Substrat aufnehmen. Als Substrat, welches das Sorptionsmittel enthält, kann ein fasriges Material dienen, insbesondere ein Gewebe oder Filz. Als bevorzugtes Sorptionsmittel werden hierbei Metallsalze genannt, die dazu in der Lage sind mit dem polaren gasförmigen Kältemittel unter Bildung einer komplexen Verbindung zu reagieren.

Ein derartiger Wärmeübertrager lässt noch Wünsche offen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager, insbesondere ein verbessertes Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohr, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohr, vorgesehen, mit einer Vielzahl von Fasern, wobei eine Mehrzahl der Fasern mit ihrem einen Ende an oder in der Wand angebracht sind. Das andere Ende der Fasern ist beabstandet von der Wandoberfläche angeordnet. Dabei sind die einzelnen Fasern vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Die Fasern sind vorzugsweise senkrecht oder annähernd senkrecht zur Wandoberfläche – und somit parallel zur Wärmetransportrichtung – ausge richtet, jedoch können zur Beeinflussung einer bestimmten Richtung des kapillaren Flüssigkeitstransports und/oder bei zu geringer erreichter Faserdichte im Rahmen der Beflockung oder anderen An- oder Einbringung der Fasern dieselben schräg zur Wandoberfläche angeordnet sein, was im Rahmen der Beflockung, An- oder Einbringung der Fasern oder im Anschluss hieran erfolgen kann.

Die Fasern werden vorzugsweise mittels eines Beflockungsprozesses auf der Wandoberfläche angebracht. Derartige Verfahren sind technisch erprobt und vorhandene Vorrichtungen können leicht an die besonderen Bedingungen im Rahmen einer Beflockung mit den entsprechenden Fasermaterialien angepasst werden.

Da jede einzelne Faser über einen wärmeleitenden Haftfilm an der Wand befestigt ist, besteht eine hohe mechanische Festigkeit, die vor allem bei sogenannten Complex-Compound-Adsorbentien (Salze) und Metallhydriden zu einer verbesserten Haltbarkeit des Adsorptionsbettes führt.

Bei den Fasern handelt es sich vorzugsweise um Metallfasern, Kohlefasern und/oder teil- und/oder durchaktivierte Aktivkohlefasern. Diese Fasern sind gut wärmeleitend, so dass die Wärme gut abgeleitet oder von außen zugeleitet werden kann. Unter Teilaktivierung wird vorliegend verstanden, dass die Faser durch Steuerung des Aktivierungsprozesses nur bis zu einer bestimmten Tiefe der Faser aktiviert wird, so dass im Kernbereich der Faser eine vergleichsweise geringe Porosität mit entsprechend größerer Wärmeleitfähigkeit vorliegt. Bei der Verwendung aktivierter Kohlefasern als Beflockungsmittel besteht zudem der Vorteil eines sehr guten Stofftransportes an die auch makroskopisch gut zugängliche Faseroberfläche mit kurzen Diffusionswegen zu den sorptionsaktiven Zentren innerhalb der Faser. Durch Anpassung der Beflockungsdichte und Länge des Faser-Kurzschnittes können auch hohe Belegungsdichten mit entsprechend hoher Sorptiv-Aufnahmekapazität erreicht werden.

An Stelle von Kohlefasern können auch Vorläufersubstanzen hiervon, insbesondere Textilfasern, wie Viskosefasern, oder aus einem Phenolharz hergestellte Fasern als Beflockungsmittel verwendet werden und dieselben nach erfolgter Beflockung im fertigen Verbund auf bekannte Weise verkokt und ggf. aktiviert werden. Dieses Verfahren kann insbesondere dazu dienen, auch in Faser-Längsrichtung einen unterschiedlichen Aktivierungsgrad zu erzeugen. Dadurch kann die Faser beispielsweise am Fußpunkt eine geringe Porosität bei entsprechend höherer Wärmeleitfähigkeit und am anderen Ende eine hohe Porosität bei entsprechend verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Bei der Verwendung von teil- und/oder durchaktivierte Aktivkohlefasern kann das applizierte Faserbett sowohl die Funktion der Wärmeleitung als auch der sorptiven Aufnahme des Arbeitsmittels erfüllen, wodurch (außer dem Haftfilm bzw. der Haftschicht) keine weitere Substanz erforderlich ist.

Die Fasern weisen bevorzugt eine meso- und/oder mikroporöse Struktur auf, die durch Aktivieren der Fasern gebildet wird, so dass die Fasern selbst die sorptionsaktive Substanz darstellen. Alternativ sind die Fasern mit einem sorptions- oder reaktionsaktiven Material belegt oder imprägniert, wobei insbesondere auch eine Kombination mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit möglich ist. Die Aufbringung des sorptions- oder reaktionsaktiven Materials kann auch in einem zweiten Prozessschritt erfolgen, d.h. nach der eigentlichen Beflockung. Hierbei können auch Hilfsstoffe (Lösungsmittel, Binder, Haftvermittler etc.) verwendet werden, um die Materialien an den Fasern anzulagern oder aufzukristallisieren. Die Sorptionsmittel liegen bei der nachträglichen Aufbringung bevorzugt in gelöster oder dispergierter Form vor, wobei die Hilfsstoffe durch Abdampfen, Polymerisieren, Umwandeln usw. nach dem Applikationsprozess wieder aus der Struktur entfernt oder in inerte Stoffe umgewandelt werden.

Als Klebstoff für die Beflockung werden bevorzugt organische oder auch anorganische Binder, insbesondere Alkalisilikate, verwendet. Dabei sind auch andere temperaturbelastbare Binder, die gegenüber dem eingesetzten Sorpionsmittel und Sorbat sowie den metallischen Wärmeübertragermaterialien (Edelstahl, Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen) im Wesentlichen inert sind, geeignet.

Der Klebstoff enthält bevorzugt wärmeleitende Stoffe, so dass die Wärmeab- oder -zuleitung verbessert wird.

Zur Verbesserung des Wärmetransports nach bzw. von außen sind außenseitig am Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohr bevorzugt direkt oder indirekt angeordnete Rippen vorgesehen, so dass die Wärme großflächig außerhalb des Rohres abgegeben bzw. aufgenommen werden kann. Dabei sind unter Umständen zusätzliche oberflächenvergrößernde oder wärmeübergangsverbessernde Maßnahmen möglich.

Die Fasern können mehrschichtig fixiert sein.

Bei der Beflockung kann das eine Ende der Faser in mindestens eine Schicht eingeschmolzen oder eingegossen werden. Dies kann beispielsweise mittels einer plattierten Metallwand, in welche die Fasern im aufgeschmolzenen Zustand eindringen und in der sie nach dem Abkühlen bei gutem Wärmeübergang und guter mechanischer Stabilität gehalten werden. Die Beflockung erfolgt hierbei unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls einer Schutzgasatmosphäre und unter Anwendung eines Flussmittels zur Auflösung einer möglicherweise vorhandenen Oxidschicht. Die Beflockung unter Einschmelzen eines Endes ist insbesondere für Metallfasern geeignet.

In einem Zwischenbereich, welcher eine Adsorptionszone von einer Verdampfungszone bzw. eine Desorptionszone von einer Kondensationszone trennt, sind vorzugsweise keine Fasern angeordnet, wobei die Fasern in den unterschiedlichen Bereichen bevorzugt unterschiedlich strukturiert sind.

Die Fasern weisen vorzugsweise eine gute Adhäsion gegenüber dem einzusetzenden Arbeitsmittel im flüssigen Zustand desselben auf, so dass bei ausreichend hoher Beflockungsdichte Kapillarkräfte erzeugt werden, durch die größere Mengen an flüssigem Arbeitsmittel zwischen den Fasern gehalten und auch entlang dem Wandbereich durch Kapillarkräfte transportiert werden können. Dieser Effekt kann vorteilhaft in Wärmerohren und der Verdampfungs-/Kondensationszone von Sorptionsrohren verwendet werden.

Bevorzugt sind in einem Teilbereich Fasern angeordnet, die schräg zur Wandoberfläche angeordnet sind. Dies kann insbesondere zur Beeinflussung einer bestimmten Richtung des kapillaren Flüssigkeitstransports dienen, d.h die Saugkraft (Kapillarität) erhöhen. Die schräge Anordnung der Fasern erfolgt bevorzugt durch gleitendes, leichtes Andrücken bevor der Klebefilm oder Haftvermittlungsfilm vollständig ausgehärtet ist.

Derartige Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohre können bevorzugt als Teil einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage verwendet werden, insbesondere um vorhandene überschüssige Energie zu nutzen. Auch in der stationären Industrie- und Haustechnik gibt es Anwendungsmöglichkeiten, bei denen Wärme verlustarm transportiert oder gepumpt werden muss.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Wärmerohres gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Prinzipskizze eines Sorptions- oder Reaktionsrohres gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Nutzprozess,
3 die Prinzipskizze von 2 im Regenerationsprozess, und
4 die Prinzipskizze von 2 mit Detailansichten.
1 zeigt ein Wärmerohr 1, welches ein Arbeitsmittel 2 enthält. Das Wärmerohr 1 wird in einem ersten Bereich A von einem ersten Fluid A und in einem zweiten Bereich B von einem zweiten Fluid B umströmt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich beim ersten Fluid A um zu erwärmende Luft, die in kaltem Zustand auf das Wärmerohr 1 zuströmt (Pfeil links, oberhalb des Wärmerohrs 1) und im durch das Wärmerohr 1 erwärmten Zustand vom Wärmerohr 1 wegströmt (Pfeil links, unterhalb des Wärmerohrs 1) und beim zweiten Fluid B um zu kühlende Luft, die in warmem Zustand auf das Wärmerohr 1 zuströmt (Pfeil rechts, oberhalb des Wärmerohrs 1) und im durch das Wärmerohr 1 gekühlten Zustand vom Wärmerohr 1 wegströmt (Pfeil rechts, unterhalb des Wärmerohrs 1). Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von Wärmerohr 1 zum Fluid A oder vom Fluid B zum Wärmerohr 1 sind eine Mehrzahl von Rippen 3 vorgesehen, welche die Fluide A und B durchströmen.
Im Wärmerohr 1 erfolgt im Bereich A in Folge der Abkühlung oder Wärmeabgabe an das erste Fluid A eine Kondensation des dampfförmigen Ar beitsmittels 2, das sich im Wandbereich 4 des Wärmerohrs 1 niederschlägt (Kondensationszone). Der Wandbereich 4 ist in der vergrößerten Darstellung dargestellt.
An der Wand 5 des Wärmerohrs 1 sind im Wesentlichen senkrecht von der Wandoberfläche abstehende Fasern 6 vorgesehen. Diese wurden gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines herkömmlichen elektrostatischen Beflockungsverfahrens, wie es aus der Textilindustrie bekannt ist, aufgebracht und an der Wandoberfläche befestigt. Bei den Fasern 6 handelt es sich vorliegend um gut wärmeleitende Fasern mit einer hohen Adhäsivität. Als Klebstoff dient ein Binder, der ebenfalls eine gute Affinität zum verwendeten Arbeitsmittel besitzt, von diesem aber nicht gelöst oder angegriffen wird.
An den Fasern 6 schlägt sich das Arbeitsmittel 2 nieder, sammelt sich zwischen den Fasern 6 und wird, wie durch zwei schwarze Pfeile im Wandbereich 4 von 1 dargestellt, durch Kapillarkräfte vom Bereich A in den Bereich B transportiert, beispielsweise unterstützt durch die Schwerkraft bei entsprechender Wärmerohranordnung.
Der Wandbereich 4 des zweiten Bereichs B ist entsprechend dem Wandbereich 4 des ersten Bereichs A ausgebildet. Auf Grund der vom zweiten Fluid B aufgenommenen Wärme verdampft in diesem Bereich (Verdampfungszone) das flüssige Arbeitsmittel und gelangt in Folge der Druckdifferenz in dampfförmigem Zustand wieder in den ersten Bereich A, so dass sich ein Kreislaufsystem im Wärmerohr 1 ausbildet, in dem das Arbeitsmittel laufend einer Zustandsänderung unterzogen wird.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Sorptionsrohr 101 mit einem Arbeitsmittel 102 vorgesehen, dessen äußerer Aufbau dem des Wärmerohres 1 entspricht. Die Innenstruktur des Bereichs A, welcher im Nutz prozess der Adsorptionszone und im Regenerationsprozess der Desoprtionszone entspricht, besteht ebenfalls aus einer beflockten Faserstruktur, wobei jedoch die Einzelfasern mit einem Sorptions- oder Reaktionsmittel 103 belegt sind (siehe Detailansicht von 4), oder bei welcher der Faserzwischenraum teilweise oder vollständig mit Sorptionsmittel und optional mit einem Bindemittel vermischt ausgefüllt ist. Auch der zweite Bereich B, welcher der Verdampfungszone im Nutzungsprozess und der Kondensationszone im Regenerationsprozess entspricht, und der Zwischenbereich zwischen Bereich A und Bereich B unterscheidet sich vom Aufbau des Wärmerohres.
Im Bereich A, in welchem während des Nutzungsprozesses die Adsorption des Arbeitsmittels 102 erfolgt, sind eine Mehrzahl von Fasern 106 vorgesehen, die entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zur Wandoberfläche ausgerichtet sind und mit einer (in 1 nicht dargestellten) sorptionsaktiven Schicht belegt sind oder im Falle von Kohlefasern selbst aktiviert, d.h. mit einer Porenstruktur, versehen sind.
In einem relativ kleinen Zwischenbereich zwischen Bereich A und Bereich B sind vorliegend keine Fasern vorgesehen, da dort ein axialer Flüssigkeitstransport unterbunden werden muss.
Der Bereich B, in welchem während des Nutzungsprozesses die Verdampfung des Arbeitsmittels 102 erfolgt, besitzt vorliegend, wie in 4 vergrößert dargestellt, eine Mehrzahl von Fasern 106', die „flachgelegt", d.h. schräg zur Wandoberfläche ausgerichtet sind. Alternativ kann der Bereich B eine Kapillarstruktur besitzen, wie sie an sich bekannt ist.
Die Soprtionsmittelmenge im Bereich A, die Faserlänge, -dicke und -dichte im Bereich A und B, sowie die Neigung der Fasern im Bereich B sind so aufeinander abgestimmt, dass die maximal im Betrieb adsorbierbare Kältemittelmenge des Bereichs A bei Desorption und Kondensation in dem Bereich B hierin von den kapillaren Faserzwischenräumen vollständig aufgenommen und gehalten werden kann. Die Faserlänge beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 5 mm, insbesondere zwischen 1 und 3 mm, vorliegend 2 mm. Je nach Hauptzweck der Faserstruktur, die je nach Ausführungsform die Funktionen „mechanische Armierung eines Sorptions- oder Reaktionsbettes", „Erhöhung der von der Wand weggerichteten Wärmeleitfähigkeit", „Bildung einer Kältemittel transportierenden oder haltenden Kapillarstruktur" oder „Bildung eines aktivierten Kohlefaserbettes" können Material, Faserdicke und Belegungsdichte in relativ weiten Grenzen variieren. Typisch sind Faserdicken im Bereich von 5 bis 200 μm, insbesondere 10 bis 150 μm, vorliegend 80 μm. Der Faser-Neigungswinkel kann in Kombination mit der Belegungsdichte und/oder der Faserlänge dazu benutzt werden, um das Verhältnis von Kapillarvolumen und Kapillarkraft an die Bedürfnisse anzupassen.

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohr, mit einer Vielzahl von Fasern (6; 106), wobei eine Mehrzahl der Fasern (6; 106 und 106') mit ihrem einen Ende an oder in der Wand angebracht sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6; 106) senkrecht oder annähernd senkrecht zur Wandoberfläche ausgerichtet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6; 106) mittels eines Beflockungsprozesses auf der Wandoberfläche angebracht sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6; 106) Metallfasern, Kohlefasern und/oder teil- und/oder durchaktivierte Aktivkohlefasern sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6; 106) eine meso- und/oder mikroporöse Struktur aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6; 106) am Fußpunkt eine geringe Porosität bei entsprechend höherer Wärmeleitfähigkeit und am anderen Ende eine hohe Porosität bei entsprechend verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6; 106) mit einem sorptions- oder reaktionsaktiven Material belegt oder imprägniert sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebstoff kältemittelbeständige Binder verwendet werden.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff wärmeleitende Stoffe enthält.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mehrschichtig fixiert sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit einem Ende in mindestens eine Schicht eingeschmolzen oder eingegossen sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenbereich, welcher eine Adsorptionszone von einer Verdampfungszone bzw. eine Desorptionszone von einer Kondensationszone trennt, keine Fasern (106, 106') angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich, insbesondere einem Teilbereich, Fasern (106') angeordnet sind, die schräg zur Wandoberfläche angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (6; 106, 106') mittels eines Beflockungsverfahrens auf einer Wandoberfläche aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (6; 106, 106') in eine aufgeschmolzene Schicht mit ihrem einen Ende eingelagert werden.
Verwendung eines Wärmeübertragers, insbesondere eines Sorptions-, Reaktions- und/oder Wärmerohrs, nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Teil einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, als Teil einer Adsorptions-Wärmepumpe oder Kälteanlage für die Industrie- oder Haustechnik.