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Die Erfindung betrifft eine zellulare Struktur (eine dreidimensionale Struktur, die eine Vielzahl von Zellen aufweist) mit mindestens einem Kanal, mittels dem Fluide durch die zellulare Struktur geleitet werden können. Mit der zellularen Struktur können kostengünstig und auf einfache Weise Wärmetauscher, schnell be- und entladebare Wärmespeicher und dreidimensionale Filtersysteme in nahezu beliebiger Größe realisiert werden, die zudem als Stützsystem mit tragender Funktion dienen kann.
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Die
WO 2011/051 106 A1 beschreibt einen Wärmetauscher mit einem Schaummaterial und mindestens einer Fluidleitung. Die
DE 299 18 715 U1 beschreibt einen Steckverbinder für Rohre bzw. Stangen. Die
DE 20 2009 016 592 U1 beschreibt ein Rohrsystem.
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Aus
DE 103 46 423 A1 ,
DE 102 07 671 A1 ,
DE 103 24 190 B4 und
DE 10123 456 A1 sind Wärmetauscher bekannt, die mit zellularen Strukturen, nämlich offenporigem Metallschaum, realisiert sind. Der offenporige Metallschaum steht mit einem Leitungssystem in thermischem Kontakt, durch das ein erstes Fluid, z. B. Wasser, geleitet werden kann, oder im Metallschaum ist ein entsprechendes Leitungssystem integral ausgeformt. Beim Betrieb des Wärmetauschers wird das erste Fluid durch das Leitungssystem und ein zweites Fluid, üblicherweise Luft, durch die Zellen des Metallschaums geleitet.
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Mit den Wärmetauschern können, eine gute Durchströmung der Zellen des Metallschaums mit dem zweiten Fluid vorausgesetzt, hohe Wärmeübertragungsraten erzielt werden. Der eingesetzte Metallschaum ist jedoch vergleichsweise kostenintensiv. Nachteilig ist auch, dass Metallschaum nur mit vergleichsweise kleiner Porengröße (kleine Zellen), nämlich mit max. 7 mm lichter Weite, hergestellt werden kann, da die Herstellung des Metallschaums an die Struktur des hierfür zunächst benötigten Polyurethanschaum gebunden ist. Das hat zur Folge hat, dass für das zweite Fluid im Metallschaum der Strömungswiderstand relativ hoch ist. Entsprechend ist unter Verwendung von Metallschaum nur die Herstellung von vergleichsweise kleinen Wärmetauschern sinnvoll.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach und kostengünstig herstellbare, zellulare dreidimensionale Struktur mit mindestens einem Kanal zu finden, mittels dem Fluide durch die zellulare Struktur geleitet werden können. Mit der Erfindung sollen zudem zellulare Strukturen mit vergleichsweise großen Zellen realisierbar sein, sodass ein hoher Strömungsdurchsatz der Fluide möglich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird eine zellulare Struktur bzw. Leitungsstruktur bereitgestellt, die aus einer Vielzahl von vorzugsweise identischen Einzelelementen aufgebaut ist. Die Leitungsstruktur weist mehrere Einzelelemente auf, von denen Kanalabschnitte gebildet sind und die mittels Zusammensteckens lösbar und formschlüssig miteinander verbunden sind. Zumindest ein Teil der Einzelelemente hat die Form von Profilen, die mit mindestens einer Verbindungsaussparung (üblicherweise mehreren Verbindungsaussparungen) versehen sind, die derart ausgeformt ist, dass sie ein Zusammenstecken der Einzelelemente ineinander ermöglicht. In der Seitenwand eines ersten der Einzelelemente ist mindestens eine Verbindungsaussparung ausgebildet, die in ihrer Form zu der Querschnittsgeometrie eines zweiten der Einzelelemente korrespondiert, wobei das zweite Einzelelement unter Ausbildung zweier sich kreuzender Kanäle in die Verbindungsaussparung des ersten Einzelelements eingesteckt ist.
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Die Geometrie der Einzelelemente und die Anordnung der Einzelelemente zueinander ist so gewählt, dass in der zellularen Struktur mindestens ein (zusammenhängender) Kanal gebildet ist, durch den Fluide direkt geleitet werden können. Hierzu ist es erforderlich, dass die unvermeidlichen Spalte an allen Stellen, an denen die Profile aneinander gesteckt/miteinander verrastet sind, z. B. durch Kleben, Schweißen, Löten, Umgießen mit einem Dichtungsmaterial oder durch den Einsatz von Dichtungen, abgedichtet werden, da ansonsten das Fluid nicht durch die zellulare Struktur geleitet werden kann, ohne dass beim Durchleiten des Fluids durch den mindestens einen Kanal das Fluid austritt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kanäle mittels externer Rohrsysteme, die über die zellulare Struktur hinausragen, realisiert werden, womit die vorgenannte Dichtungsproblematik umgangen wird.
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Als Alternative ist in der zellularen Struktur mindestens ein Kanal (Verlegungskanal) gebildet, in dem mindestens eine Leitung verlegt ist, durch die unterschiedliche Fluide, z. B. Öl oder Wasser, geführt werden können (ohne dass beim Durchleiten des Fluids durch die mindestens eine Leitung das Fluid austritt). Der mindestens eine Verlegungskanal kann, anders als bei der vorherigen Variante, bei der der mindestens eine Kanal vollständig dicht sein muss, auch teilweise geöffnet sein, da der mindestens eine Verlegungskanal lediglich dazu dient, die mindestens eine Leitung zu führen/festzuhalten und gegebenenfalls vor mechanischen Beschädigungen zu schützen.
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Da die zellulare Struktur üblicherweise nicht nur einen, sondern mehrere Kanäle (Kanalabschnitte) und entsprechend mehrere Leitungen (Leitungsabschnitte) aufweist, werden im Folgenden der Einfachheit halber die Begriffe ”Kanäle” statt ”der mindestens eine Kanal” und ”Leitungen” statt ”die mindestens eine Leitung” verwendet.
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Mit der Erfindung können unkompliziert und kostengünstig zellulare Strukturen realisiert werden, die, da sie quasi mit einem Baukastensystem aufgebaut werden, in ihrer Geometrie und ihrer Leistungsfähigkeit/Größe exakt auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmt werden können.
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Als Einzelelemente können (u. a.) Flächenprofile (mit der Funktion von Flächenelementen, welche die Realisierung von zellularen Strukturen mit vergleichsweise großen Oberflächen ermöglichen) eingesetzt sein, die neben mindestens einem Kanalabschnitt, der zur Ausbildung der Kanäle dient und der mit der mindestens einen Verbindungsaussparung versehen ist, auch mindestens einen flächigen Abschnitt aufweisen. Der mindestens eine flächige Abschnitt ist üblicherweise eben und seine Fläche ist größer, als die des (mindestens einen) Kanalabschnitts. Der Kanalabschnitt kann im Querschnitt eine Kontur mit der Geometrie eines Dreiecks, eines Vierecks, eines Kreises oder eines Ovals aufweisen. Typischerweise hat nur die Kontur des Querschnitts eine solche Form, d. h., der Kanalabschnitt hat nicht die Form eines (bezüglich des Querschnitts) geschlossenen Hohlprofils (was aber prinzipiell auch möglich ist). Hat z. B. der Kanalabschnitt einen Querschnitt mit der Kontur eines Dreiecks oder Vierecks, dann kann der Querschnitt dadurch offen sein, dass jeweils eine Seite des Dreiecks bzw. Vierecks fehlt. Entsprechend kann bei einer Kontur mit der Geometrie eines Kreises oder eines Ovals der Kanalabschnitt mit zwei angrenzenden flächigen Abschnitten die Form eines ”Ω” aufweisen.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Teil der Einzelelemente der zellularen Struktur als Hohlprofile ausgebildet sein, die mit mindestens einer Verbindungsaussparung versehen sind. Die Hohlprofile sind üblicherweise runde, ovale, quadratische oder dreieckförmige Rohre. Da Hohlprofile sowohl eine vergleichsweise große Oberfläche haben als auch eine relativ hohe mechanische Stabilität besitzen, können sie sowohl die Funktion von Flächenelementen als auch die Funktion von Strukturprofilen, die zu einer stabileren Verbindung der Einzelelemente und generell zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der zellularen Struktur dienen, übernehmen.
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Neben den Flächen- und Hohlprofilen können in der zellularen Struktur Strukturprofile eingesetzt sein, die massiv (d. h., sie weisen keine makroskopischen Hohlräume auf) und z. B. als T- oder Doppel-T-Profil ausgeführt sind.
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Die als Profil ausgeformten Einzelelemente können entweder durch Strangpressen (Extrusion), Stranggießen oder mittels einer Falztechnik hergestellt sein.
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In einer bevorzugten Variante, die sich besonders für Einzelelemente eignet, die mittels einer Falztechnik hergestellt wurden, werden zur Erzeugung einer Verbindungsaussparung in die Kanalabschnitte der Flächenprofile bzw. in die Hohlprofile, z. B. mittels mechanischen Schneidens, Laserschneidens oder Sägens zwei parallele Schnitte/Schlitze eingebracht und anschließend wird der Bereich zwischen den beiden Schnitten umgeklappt (in das Profil hineingeklappt). Alternativ können die Verbindungsaussparungen in den Profilen auch dadurch erzeugt werden, dass ein Abschnitt aus dem betreffenden Profil, z. B. durch Ausfräsen, entfernt wird.
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Insbesondere bei zellularen Strukturen, in denen die Fluide direkt durch die Kanäle geleitet werden (also nicht durch eingelegte Leitungen), kann es vorteilhaft sein, die Verbindungsaussparungen derart in die Kanalabschnitte der Flächenprofile bzw. in die Hohlprofile einzubringen (z. B. durch plastische Verformung), dass das Hohlprofile/Rohr nicht verletzt wird (d. h., das Rohr bleibt weiterhin dicht).
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Die Einzelelemente bestehen, insbesondere wenn sie überwiegend durch eine Falztechnik hergestellt wurden, aus Metallblech (z. B. aus Aluminium oder Stahl) oder einem aus unterschiedlichen Metallen bestehenden Verbundblech, da Bleche aus Metall unkompliziert gefaltet werden können. Durch Verwendung von Metallblechen können zudem zellulare Strukturen mit vergleichsweise hohen mechanischen Festigkeiten hergestellt werden. Bei einer Verwendung der zellularen Struktur als Wärmetauscher oder Wärmespeicher hat Metall zudem den Vorteil, dass es relativ gut wärmeleitend ist. Die zellularen Strukturen können jedoch prinzipiell auch aus Kunststoff, Keramik, Holz oder einem Faserverbundwerkstoff bestehen.
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Sofern mit der zellularen Struktur ein Wärmetauscher realisiert ist, wird bevorzugt ein hoher Anteil von Flächenprofilen eingesetzt. Auf diese Weise können hohe Wärmeübertragungsraten erreicht werden, indem ein erstes Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, durch die Kanäle (eingelegten Leitungen in den Kanälen) geleitet wird, und ein zweites Fluid, vorzugsweise ein Gas, wie z. B. Luft, durch die Zellen der zellularen Struktur und damit an den Flächenprofilen vorbei geleitet wird.
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Werden die in der zellularen Struktur ausgebildeten Kanäle direkt vom Fluid durchströmt (keine eingelegten Leitungen), dann bestehen die Kanäle/die eingesetzten Profile vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitenden Material. Sofern durch die Kanäle Leitungen (für das Fluid) geführt sind, sollten zudem die Leitungen in einem guten thermischen Kontakt mit den Wänden der Kanäle und entsprechend mit den eingesetzten Profilen stehen.
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Sofern mit der zellularen Struktur ein thermischer Speicher, z. B. zur Bauteilaktivierung von Böden, Wänden und Decken, der schnell be- und entladen werden kann, realisiert ist, wird üblicherweise ein hoher Anteil von Flächenprofilen und/oder Hohlprofilen eingesetzt. In den Zellen der zellularen Struktur befindet sich ein Wärmespeichermaterial (üblicherweise sind die Zellen praktisch vollständig mit dem Wärmespeichermaterial ausgefüllt), das über die Flächenprofile oder Hohlprofile in gutem thermischen Kontakt mit dem Fluid steht, das beim Be- oder Entladen des thermischen Speichers durch die Kanäle bzw. durch die in den Kanälen verlegten Leitungen geführt wird. Vorteilhaft ist es auch hier, Profile (und damit Kanäle) aus einem gut thermisch leitenden Material, z. B. einem Metall, einzusetzen, und einen guten thermischen Kontakt zwischen den Leitungen und den Kanälen herzustellen.
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Sofern mit der zellularen Struktur ein Filter realisiert ist, mit dem eine Filterung (parallel, seriell oder kombiniert) über das gesamte Volumen der zellularen Struktur verteilt erfolgen kann, sind in den Zellen der zellularen Struktur und/oder in den Kanälen der zellularen Struktur Filterelemente installiert. Alternativ oder in Ergänzung kann die zellulare Struktur Flächenprofile aufweisen, deren flächige Abschnitte entweder mit flächigen Filterelementen oder mit einer Vielzahl feiner Perforationen versehen sind, wodurch die flächigen Abschnitte ebenfalls als Filterelemente wirken können. Die Kanäle der zellularen Struktur sind vorzugsweise derart gestaltet/angeordnet, dass ein Fluid so durch die Kanäle der zellularen Struktur geleitet wird, dass sämtliche in der zellularen Struktur vorhandenen Filterelemente vom Fluid durchsetzt werden, d. h. das gesamte Volumen des dreidimensionalen Filters genutzt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Fluid über die Kanäle zuerst in das Zentrum der zellularen Struktur (des dreidimensionalen Filters) geführt, wobei sich im Zentrum Filterelemente mit einer schwächere Filterwirkung (grobe Vorfilterung; größere Filterporen) befinden, und anschließend durch den äußeren Bereich geführt, in dem sich Filterelemente mit einer stärkeren Filterwirkung befinden (feine Endfilterung; feinere Filterporen). Der Vorlauf der Porengröße der inneren und äußeren Filterelemente kann auch fließend (graduiert) gewählt sein.
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Die zellulare Struktur kann aufgrund der großen Flächen der Profile und der damit verbundenen Wärmeabfuhr auch vorteilhaft als Gerüst zur Kühlung von elektrischen Komponenten, speziell LED's, verwendet werden, wobei die Profile als Reflektoren die Kühlung unterstützen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Einzelelemente und eines Aus führungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
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1: Verschiedene Ausgestaltungen von Hohlprofilen;
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2: Strukturprofile mit verschiedenen Querschnittsgeometrien;
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3a: ein Hohlprofil mit Verbindungsaussparungen, die unterschiedliche Geometrien aufweisen;
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3b: ein Hohlprofil mit Verbindungsaussparungen, die an unterschiedlichen Stellen am Hohlprofil angeordnet sind;
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4: Flächenprofile mit verschieden geformten Kanalabschnitten;
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5: ein Hohlprofil mit Kühlrippen und separat ausgeformter Leitung;
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6: einen Ausschnitt aus einer zellularen Struktur, die aus verschieden geformten Hohlprofilen aufgebaut ist.
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In 1 ist jeweils ein extrudiertes Hohlprofil 1 aus Metall mit einem rechteckförmigen, einem dreieckförmigen und einem runden Querschnitt, in 2 ist jeweils ein extrudiertes Strukturprofil 2 mit einem T-förmigen und einem Doppel-T-förmigen Querschnitt dargestellt.
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Um die Hohlprofile 1 durch Zusammenstecken oder Verrasten miteinander verbinden zu können, sind in einem weiteren Hohlprofil 1 (3a) zu den in 1 dargestellten Hohlprofilen 1 bzw. Strukturprofilen 2 korrespondierende Verbindungsaussparungen 3 eingebracht, die jeweils einen rechteckförmigen, dreieckförmigen, runden oder T-förmigen Querschnitt aufweisen.
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Die Verbindungsaussparungen 3 können auf verschiedene Weise durch die Hohlprofile 1 geführt sein, wie dies in 3b anhand eines Profils mit einem rechteckförmigen Querschnitt, in das mehrere Verbindungsaussparungen 3 eingebracht sind, die ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt haben und parallel zu einer Grundseite des Hohlprofils 1 oder über Eck verlaufen.
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In 4 ist jeweils ein Flächenprofil 4 mit einem Kanalabschnitt 5, dessen Querschnitt eine rechteckförmige und eine dreieckförmige Kontur aufweist, dargestellt. Die Kanalabschnitte 5 haben alle eine offene Seite 6. Bei den Flächenprofilen 4 ist die Oberfläche der Kanalabschnitte 5 immer kleiner, als die Fläche der einzelnen flächigen Abschnitte 7.
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Zur Herstellung der Flächenprofile 4 werden aus einem Metallblech zuerst durch Falten die Kanalabschnitte 5 gebildet. Zur Erzeugung einer Verbindungsaussparung 3 werden mittels Laserschneidens zwei parallel zueinander verlaufende (geometrisch weitgehend frei gestaltbare) Schnitte 8 in die Kanalabschnitte 5 eingebracht. Anschließend wird der zwischen den Schnitten 8 liegende Blechbereich 9 (Blechzunge) umgeklappt. Über eine oder mehrere Aussparungen 13 kann die Fixierung der Profile mittels Stäbe oder dergleichen, die in diese eingesteckt werden, realisiert werden. Das Fixieren ist auch durch entsprechende Aussparungen der Profilierungen möglich.
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Das Flächenprofil 4 ist kompatibel zum Stecksystem gem. 6; mehrere Schichten des Flächenprofils 4 sind versetzt zueinander stabelbar. 5 zeigt ein extrudiertes Hohlprofil 1 aus Metall, das, um eine bessere Wärmeübertragungsleistung zu erreichen, mit inneren Wärmeübertragungsflächen 10 und äußeren Wärmeübertragungsflächen 11 versehen ist. Durch eine im Innern des Hohlprofils 1 verlaufende Leitung 12 kann ein Wärmeübertragungsfluid geführt werden.
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Die erfindungsgemäße zellulare Struktur wird durch Zusammenstecken/Verrasten mehrerer Einzelelemente hergestellt, wie dies in 6 anhand von vier zusammengesteckten Hohlprofilen 1 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlprofil
- 2
- Strukturprofil
- 3
- Verbindungsaussparung
- 4
- Flächenprofil
- 5
- Kanalabschnitt
- 6
- offene Seite des Kanalabschnitts/offene Stelle im Querschnitt des Kanalabschnitts
- 7
- Flächiger Abschnitt
- 8
- Schnitt im Kabelabschnitt
- 9
- Bereich zwischen zwei Schnitten/Blechzunge
- 10
- innere Wärmeübertragungsfläche
- 11
- äußere Wärmeübertragungsfläche
- 12
- Leitung
- 13
- Aussparung (für Fixierung der Profile)
