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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verdampferrohres gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Kraftfahrzeuge werden heutzutage nach wie vor als Hauptenergiequelle mit fossilen Brennstoffen über eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Da diese jedoch endlich sind, ist es das Bestreben, die Energieentnahmeeffizienz für einen jeden Brennstoff zu maximieren. Dabei ist der reine Verbrennungsvorgang auf den maximalen Wirkungsgrad von 40 % des ideellen Carnotprozesses naturgesetzlich beschränkt. Dies bedeutet, dass von den 100 % Energie, die im Kraftstoff enthalten sind, maximal 40 % in Bewegungsenergie umsetzbar sind und die restliche Energie über Wärme abgeführt wird. Hierzu ist es aus dem Stand der Technik jedoch bekannt, die beim Verbrennungsvorgang entstehende Wärme mittels Kraftwärmekopplung zu nutzen. So werden Arbeitsmedien über Wärmetauscher erhitzt, wobei die in der Wärme enthaltene Energie ebenfalls dazu genutzt wird, weitere Energie zum Betrieb des Kraftfahrzeugs oder Peripheriekomponenten bereit zu stellen.
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Aus der
WO 2009/157611 A1 ist hierzu eine Herstellungsmethode für einen Wärmetauscher bekannt, bei dem in eine Oberfläche Rillen eingebracht werden, diese mit einem temporären Platzhalter gefüllt werden, und im Anschluss daran der Wärmetauscher mit einem Sintermaterial versehen wird, das nach der Zuführung von Wärme eine poröse Struktur beibehält. Ein solches Herstellungsverfahren ist jedoch kostenintensiv, da eine Bearbeitung des Grundkörpers notwendig ist und eine erhöhte Wandstärke benötigt wird. Zudem ist eine solche Fertigung nicht auf ein radiales Design übertragbar. Weiterhin ist aus der
WO 02/44639 A1 ein Herstellungsverfahren eines Verdampferrohres mittels Sintern bekannt. Hierzu wird ein Formwerkzeug in ein Rohr gegeben, sodann der zwischen Rohrinnenmantelfläche und Formwerkzeug entstehende Hohlraum mit Sinterwerkstoff ausgefüllt und die Anordnung gesintert sowie danach das Formwerkzeug aus dem Rohr herausgezogen. Nachteilig hierbei ist, dass die Formgebungsfreiheitsgrade auf ein herausziehbares Werkzeug begrenzt sind und für jedes herzustellende Bauteil ein Werkzeug benötigt wird, mithin die Produktionskapazität begrenzt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, ein Herstellungsverfahren für ein Verdampferrohr aufzuzeigen, dass gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren deutlich einfacher und zugleich kostengünstiger durchführbar ist, wobei das dabei hergestellte Verdampferrohr verbesserte Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Verdampferrohres, wobei das Verdampferrohr insbesondere in einem Kraftfahrzeugwärmetauscher eingesetzt wird und das Verdampferrohr ein Innenrohr mit einem ersten Kanal zur Durchleitung eines ersten Mediums und einen das Innenrohr umhüllenden zweiten Kanal zum Verdampfen eines zweiten Mediums aufweist, ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - Bereitstellen des Innenrohres,
- - Aufbringen eines Platzhaltermaterials auf eine Außenmantelfläche des Innenrohres,
- - Positionieren einer Außenform über das Innenrohr, wobei zwischen Außenmantelfläche des Innenrohres und Innenmantelfläche des Mantelrohres ein Ringspalt entsteht,
- - Auffüllen des Ringspaltes mit einem spratzigen Metallpulver als Sinterwerkstoff,
- - Sintern der Anordnung, wobei das Platzhaltermaterial bei den auftretenden Sintertemperaturen aufschmilzt und unter Ausbildung einer Kanalstruktur ausfließt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es somit möglich, eine Kanalstruktur in der durch den Sinterwerkstoff hergestellten Sinterschicht zu erzeugen, wobei das Platzhaltermaterial zur Herstellung der Kanalstruktur während des Sinterprozesses selber ausgetrieben wird. Dabei wird ein Platzhaltermaterial verwendet, das bei den auftretenden Sintertemperaturen aufschmilzt und aus dem Kanalsystem ausfließt. Dort, wo das Platzhaltermaterial angeordnet war, entsteht somit ein Kanalsystem an der Außenmantelfläche des Innenrohres. Bei der Außenform handelt es sich bevorzugt um ein Mantelrohr. Die Außenform kann auch als Drahtgewebe ausgebildet sein. Das Mantelrohr kann im Querschnitt kreisrund oder auch elliptisch ausgebildet sein. In Längsrichtung kann das Mantelrohr auch konisch verlaufen.
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In der Sinterschicht selber wird dabei eine Kapillarstruktur aufgrund einer Porosität des Sintermaterials erzeugt, sodass das zweite Medium durch die entstehenden Kanäle durch den zweiten Kanal fließt und von dem ersten Kanal über das Innenrohr ein Wärmestrom von dem ersten Medium in das zweite Medium eingebracht wird. Hierdurch verdampft das zweite Medium derart, dass der entstehende Dampf über Dampfkanäle abgeführt wird. Der Dampf wird dann an einem Kondensator wiederum in den flüssigen Zustand überführt und hierbei zusätzliche Energie gewonnen, die bei dem ersten Kanal insbesondere in Form eines Abgaskanals dem Abgas entzogen wird. Aufgrund der Kapillarwirkung strömt gleichzeitig mit der Verdampfung flüssiges Medium in die Sinterstruktur nach.
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Damit der Sinterwerkstoff nicht die durch das ausfließende Platzhaltermaterial entstehenden Hohlräume durch ein eigenes Nachrücken wieder verschließt, wird ein spratziges Metallpulver verwendet. Die Pulverpartikel sind somit eckig bzw. kantig oder vieleckig derart ausgebildet, dass sie sich untereinander verhaken und/oder verkanten. Durch die dabei entstehenden Kanalstrukturen fließt dann im späteren Einsatz das zweite Medium, insbesondere ein Arbeitsmedium, im gasförmigen Aggregatzustand. Durch die aufgrund des spratzigen Metallpulvers entstehenden rauen Oberflächen innerhalb der Kanalstruktur selber wird dabei eine turbulente Strömung erzeugt, die einen verbesserten Wärmeübergang in das zweite Medium erzeugt, wodurch eine stärkere Überhitzung des Dampfes stattfindet. Die Pumpfunktion ist dabei derart bevorzugt anzusehen, dass eine aktive Pumpe entfallen kann und die Pumpfunktion ausschließlich durch die Kapillarfunktion erfolgt.
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Der Arbeitskreisprozess kann beispielsweise nach dem Prinzip eines Clausius-Rankine-Prozesses erfolgen. Besonders bevorzugt werden die Verdampferrohre als heat-pipe, mithin als Wärmerohre ausgebildet und besonders bevorzugt als loopheat-pipe.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt gänzlich ein mechanisches Bearbeiten der hergestellten Rohranordnung. Die notwendigen Arbeitsschritte sind dabei auf ein Minimum begrenzt, wobei aufwendige spanabhebende Vor- oder Nachbearbeitungsverfahren gänzlich entfallen. Gerade unter Verwendung eines derartigen Sinterwerkstoffes, der nicht zusätzlich verdichtet wird, entsteht durch den Sintervorgang selbst eine hinreichend hohe Porosität in der Sinterschicht, so dass eine optimale Pumpwirkung und mithin ein Abführen des Dampfes ermöglicht ist.
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Hierzu wird insbesondere für das Platzhaltermaterial selbst ein Kunststoffmaterial verwendet, wobei dies insbesondere ein Polymerwerkstoff ist. Alternativ kann auch ein Amidwachs verwendet werden. Das derartige Platzhaltermaterial wird insbesondere auf die Außenmantelfläche angelegt oder aufgewickelt oder aufgespritzt. Optional wird auf die Außenmantelfläche ein Haftmittel aufgebracht, wobei das Haftmittel eine bessere stoffschlüssige Verbindung zwischen Außenmantelfläche und Platzhaltermaterial und/oder Außenmantelfläche und Sinterwerkstoff erzeugt.
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Besonders bevorzugt wird dabei das Platzhaltermaterial beispielsweise im festen Aggregatzustand bereitgestellt und ganz besonders bevorzugt in Strangform. Die derartigen Stränge des Platzhaltermaterials werden dann auf die Außenmantelfläche aufgelegt bzw. aufgepresst und mit der Außenmantelfläche zumindest temporär verklebt. Im Rahmen der Erfindung sind die Stränge verpresst oder verklebt. Insbesondere wird das Platzhaltermaterial dabei streifenförmig aufgebracht, wobei die Streifen, dargestellt durch die Stränge, bevorzugt parallel zueinander beabstandet sind. Die Streifen wiederum sind insbesondere weiterhin parallel zur Mittellängsachse des Innenrohres verlaufend oder aber die Streifen sind schraubenförmig auf der Außenmantelfläche aufgebracht. Bei letzterer Variante verlaufen die Streifen in einem Winkel zur Mittellängsachse des Innenrohres und winden sich schraubenförmig um die Außenmantelfläche.
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Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass das Platzhaltermaterial in einem flüssigen, gelförmigen oder pastösen Aggregatzustand auf die Außenmantelfläche aufgespritzt wird. Das Platzhaltermaterial weist in diesem Aggregatzustand eine Eigenklebfunktion auf, so dass ein zusätzlicher Klebevorgang nicht durchgeführt werden muss.
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Ein zwischen Außenform und Innenrohr entstehender Ringspalt wird nunmehr mit Sinterwerkstoff aufgefüllt.
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Während des folgenden Sintervorganges, bei dem unter Umständen ein Vakuumsintervorgang verwendet werden kann, aber auch ein anderweitiger Sintervorgang nicht unter Vakuumatmosphäre durchgeführt werden kann schmilzt das Platzhaltermaterial auf und fließt aus dem Ringspalt aus. Als Temperaturen werden bevorzugt 500° bis 1200° C, insbesondere 900° bis 1100° C verwendet. Hierbei schmilzt das Platzhaltermaterial auf und läuft über die dabei entstehenden Kanäle aus der Anordnung aus. Alternativ kann das Platzhaltermaterial auch bei circa 600° zuvor bei Verfestigung des Sintermaterials ausgetrieben werden und anschließend der eigentliche Sintervorgang durchgeführt werden.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird für das Sintermaterial ein Edelstahlwerkstoff verwendet. Insbesondere sind weiterhin das Innenrohr, das Sintermaterial und das optionale Mantelrohr ebenfalls aus einem Edelstahlwerkstoff ausgebildet, da dieser eine besonders gute Resistenz gegen die korrosiven Eigenschaften des Abgases aufweist bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit. Sind alle Bauteilkomponenten aus demselben Werkstoff ausgebildet, so weist der Werkstoff entsprechend gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass die Anordnung insbesondere in Bezug auf die Dauerhaltbarkeit bei thermischen Ausdehnungen keinen Schaden annimmt.
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Insbesondere sind das Innenrohr, der Sinterwerkstoff und optional das Mantelrohr dabei aus einem Edelstahlwerkstoff der 1.4XXX-Gruppe, ganz besonders bevorzugt aus einer Edelstahllegierung 1.4404 hergestellt.
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Die in dem Ringspalt aufgeführte Sinterstruktur wird erfindungsgemäß nicht verdichtet. Optional ergänzend oder aber alternativ weist die aus dem Sinterwerkstoff hergestellte Sinterschicht eine Porosität von mehr als 50 % auf, insbesondere zwischen 50 % und 80 %, bevorzugt zwischen 50 % und 60 %, wobei zwischen der Sinterschicht und der Außenmantelfläche des Innenrohres eine Kontaktfläche von 40 % bis 60 %, insbesondere 50 % hergestellt ist. Letzteres bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass 40 % bis 60 %, insbesondere 50 % der Außenmantelfläche des Innenrohres in Kontakt mit der Sinterschicht steht. Hierdurch wird ein Optimum erreicht zwischen hergestellter Kanalstruktur und direktem Wärmeübergang von erstem in zweites Medium, was zum Verdampfen des zweiten Mediums genutzt wird.
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Damit die Sinterschicht und die Kapillarstruktur ebenfalls eine ausreichende Wärme aus einem Wärmeeintrag erlangen, wird dann über die Kontaktfläche zwischen Außenmantelfläche des Innenrohres und Sinterschicht Wärme in die Sinterschicht überführt aufgrund von Wärmeleitung. In der Sinterschicht erfolgt dann aufgrund der Kapillarstruktur eine Pumpfunktion und ein Abführen des verdampften zweiten Mediums.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor, dass der Sinterwerkstoff durch den Sintervorgang stoffschlüssig mit der Außenmantelfläche des Innenrohres gekoppelt wird.
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Weiterhin ist es möglich, Anbauteile, beispielsweise Verschlussstopfen oder aber Anschlüsse insbesondere für den zweiten Kanal mit dem Innenrohr und/oder mit dem Mantelrohr stoffschlüssig zu koppeln, insbesondere durch einen Lötvorgang, wobei der Lötvorgang gleichzeitig und parallel mit dem Sintervorgang durchgeführt wird. Beides kann in einer gleichen Erwärmungseinrichtung durchgeführt werden, beispielsweise einem Ofen. Insbesondere wird dies bei Temperaturen von im Wesentlichen 800° bis 1200° und ganz besonders bevorzugt 900° bis 1100° und optional unter Schutzgas durchgeführt.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist die Außenform an ihrer Innenmantelfläche mit einem hochtemperaturbeständigen Trennmittel versehen. Hierdurch wird es ermöglicht, nach dem Sintervorgang und einem Aushärten des Sinterwerkstoffes das Mantelrohr abzuziehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Verdampferrohr in Längsschnittsansicht;
- 2a ein erfindungsgemäß hergestelltes Verdampferrohr in Querschnitts- und b ansicht und vergrößerter Ansicht des Querschnittes.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verdampferrohr 1, aufweisend ein Innenrohr 2 und ein das Innenrohr 2 auf seine Längsrichtung 4 bezogen zumindest abschnittsweise umhüllendes Gehäuserohr 3. Zwischen dem Gehäuserohr 3 und dem Innenrohr 2 ist eine Kapillarstruktur angeordnet, die in 2a und b im Detail näher erläutert wird. In dem Innenrohr 2 selbst ist ein erster Kanal 5 ausgebildet, durch den ein erstes Medium leitbar ist, so dass das erste Medium an eine Innenmantelfläche 6 des Innenrohrs 2 einen Wärmestrom abgibt, der dann durch die Mantelfläche 7 des Innenrohrs 2 hindurchströmt und in die Kapillarstruktur K mittels Wärmeleitung überführt wird. Zwischen der Außenmantelfläche 8 und dem Gehäuserohr 3 selbst ist ein zweiter Kanal 9 in Form eines Verdampfungsrohres ausgebildet, durch den ein zweites Medium strömt, wobei der Verdampfungskanal eine Kapillarstruktur K aufweist. Hierzu sind Verschlüsse 10, 11 jeweils endseitig angesetzt, die den zweiten Kanal 9 abschließen. Die Verschlüsse 10, 11 selber können weitere Anschlüsse aufweisen oder aber als Anschluss selbst ausgebildet sein, um das zweite Medium in den zweiten Kanal 9 einzuleiten.
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2a zeigt eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Verdampferrohres 1 und 2b eine entsprechende Vergrößerung gemäß dem Ausschnitt A aus 2a. In 2 ist gut zu erkennen, dass von einem Innenraum I ein nicht näher dargestellter Abgasstrom einen Wärmestrom Q an die Innenmantelfläche 6 des Innenrohrs 2 abgibt. Von dieser erfolgt eine Wärmeleitung an die Außenmantelfläche 8 des Innenrohrs 2, wo dann der Wärmestrom Q in den zweiten Kanal, hier dargestellt in Form eines Verdampfungskanals 9, übergeht. Der Verdampfungskanal 9 ist dabei, hier dargestellt durch im Querschnitt halbrunde Verdampfungskanäle 9, ausgebildet. Die Verdampfungskanäle 9 selbst stehen in direktem Kontakt mit der Außenmantelfläche 8 des Innenrohres 2.
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Zwischen den einzelnen Verdampfungskanälen 9 ist jeweils ein Abstand a ausgebildet, wobei im Bereich dieses Abstandes die Sinterschicht 12 in direktem Kontakt mit der Außenmantelfläche 8 des Innenrohres 2 steht. Hierdurch erfolgt ein Wärmeeintrag in die Sinterschicht 12 selber, so dass eine nicht näher dargestellte Kapillarstruktur innerhalb der porösen Sinterschicht 12 ebenfalls erwärmt wird. Optional kann dann ein hier schematisch nur angedeutete Außenform 13 von außen an der Sinterschicht 12 angeordnet sein. Die Außenform 13 dient zunächst als Form während des Sintervorganges, wobei insbesondere im Rahmen der Erfindung auch zwischen Außenform 13 und Innenrohr 2 der gesamte zweite Kanal ausgebildet sein kann. Ein entsprechendes Zuführen des zweiten Mediums und ein Abführen des verdampften zweiten Mediums erfolgt dann über die in 1 dargestellten Anschlüsse in den Verschlüssen 11, 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Verdampferrohr
- 2 -
- Innenrohr
- 3 -
- Gehäuserohr
- 4 -
- Längsrichtung zu 2
- 5 -
- erster Kanal
- 6 -
- Innenmantelfläche zu 2
- 7 -
- Mantelfläche zu 2
- 8 -
- Außenmantelfläche zu 2
- 9 -
- Verdampfungskanal
- 10 -
- Verschluss
- 11 -
- Verschluss
- 12 -
- Sinterschicht
- 13 -
- Außenform
- I -
- Innenraum
- K -
- Kappilarstruktur
- a -
- Abstand
- Q -
- Wärmestrom
