DE102014100836A1

DE102014100836A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102014100836A1
Application number: DE102014100836.7A
Authority: DE
Inventors: Lance James Smith; Rudolf Riedel
Original assignee: HEAT CUBED GmbH
Current assignee: HEAT CUBED GmbH
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-07-30
Also published as: WO2015110578A1

Abstract

Es wird ein Wärmetauscher beschrieben, der einen Grundkörper (1) mit einer Mehrzahl von ersten Kanälen (2) und einer Mehrzahl von zweiten Kanälen (3) aufweist, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle voneinander durch Wände getrennt sind, und wobei die Wände mittels eines generativen Herstellungsverfahrens ausgebildet sind.

Description

Es wird ein Wärmetauscher beschrieben.
Wärmetauscher dienen der Übertragung von Energie in Form von Wärme zwischen zwei Fluiden. In der Regel weisen Wärmetauscher eine Vielzahl von Kanälen auf, die im Betrieb von einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid durchflossen werden. Die die beiden Fluide führenden Kanäle sind voneinander durch Wände getrennt, so dass die Wärmeübertragung durch die Wände hindurch erfolgt.
Bei bekannten Wärmetauschern können die Kanäle beispielsweise in einen Grundkörper gebohrt sein.
In einer ersten Ausführungsform weist der vorliegend beschriebene Wärmetauscher einen Grundkörper mit einer Mehrzahl von ersten Kanälen und einer Mehrzahl von zweiten Kanälen auf. Die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle sind voneinander durch Wände getrennt, wobei die Wände mittels eines generativen Herstellungsverfahrens ausgebildet sind.
Im Betrieb ist vorgesehen, dass die ersten Kanäle von einem ersten Fluid und die zweiten Kanäle von einem zweiten Fluid durchströmt werden, wobei eine Wärmeübertragung von einem der Fluide zu dem anderen Fluid erfolgt.
Die Wände können die ersten Kanäle untereinander, die zweiten Kanälen untereinander und/oder die ersten Kanäle von den zweiten Kanälen trennen. Für die Wärmeübertragung sind insbesondere die Wände zwischen den ersten und den zweiten Kanälen von Bedeutung.
Unter einem generativen Herstellungsverfahren (engl. Additive Manufacturing, AM) ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem ein herzustellendes Werkstück schichtweise durch Materialanlagerung aus einem formlosen oder formneutralen Ausgangsmaterial gefertigt wird. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise formlos als Pulver oder formneutral als Band oder Draht vorliegen. Generative Herstellungsverfahren sind auch unter der Bezeichnung „Rapid Prototyping“, „Rapid Manufacturing“ oder „3D-Druck“ bekannt. Insbesondere kann der Wärmetauscher mittels Selektivem Laserschmelzen (engl. Selective Laser Melting, SLM), Laserauftragsschweißen (engl. Laser Metal Deposition, LMD), Elektronenstrahlschweißen, Kaltgasspritzen, Lasersintern, Elektronenstrahlsintern, einem Pulver-3D-Druckverfahren oder einem Schmelzschichtverfahren (engl. Fused Deposition Modeling, FDM) als generativem Herstellungverfahren gefertigt sein.
Es sei angemerkt, dass generative Herstellungsverfahren nicht auf die schichtweise Materialanlagerung als solche beschränkt sind. Vielmehr können generative Herstellungsverfahren nach der schichtweisen Materialanlagerung auch weitere, beispielsweise materialabtragende Schritte umfassen. So kann zum Beispiel bei einem solchen Verfahren der schichtweise Aufbau eines Werkstücks durch Materialanlagerung mit einer nachfolgenden Oberflächenbehandlung, etwa durch Fräsen oder Schleifen, vorteilhaft kombiniert sein.
Vorteilhafterweise können mittels eines generativen Herstellungsverfahrens Wärmetauscher mit einer Vielzahl sehr kleiner Kanäle und sehr dünner Wände zwischen den Kanälen ausgebildet werden. Hierdurch wird die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden vorteilhaft gesteigert. Die Kanäle können insbesondere mit wesentlich kleinerem Durchmesser als beispielsweise gebohrte Kanäle ausgebildet werden.
Eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers umfasst einen Grundkörper mit einer Mehrzahl von ersten Kanälen und einer Mehrzahl von zweiten Kanälen, wobei die ersten und/oder die zweiten Kanäle in einer Haupterstreckungsrichtung eine Länge L und quer zu der Haupterstreckungsrichtung eine Querschnittsfläche F aufweisen, und wobei das Verhältnis L/F von Länge L zu Querschnittsfläche F größer oder gleich 100 mm^–1 ist.
Ein hohes Verhältnis L/F trägt zu einer vorteilhaft hohen Effizienz des Wärmetauschers bei. Bevorzugt ist das Verhältnis L/F größer oder gleich 300 mm^–1, besonders bevorzugt größer oder gleich 500 mm^–1.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher mittels eines generativen Herstellungsverfahrens gefertigt. Besonders bevorzugt sind hierbei als generative Herstellungsverfahren Selektives Laserschmelzen, Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Kaltgasspritzen, Lasersintern, Elektronenstrahlsintern, ein Pulver-3D-Druckverfahren oder ein Schmelzschichtverfahren. Bei herkömmlichen, mittels materialabtragender Verfahren wie zum Beispiel Bohren, Fräsen oder Drehen hergestellten Wärmetauschern oder aus Halbzeug hergestellten Wärmetauschern ist das Verhältnis von Kanallänge zu Querschnittsfläche limitiert und typischerweise signifikant kleiner als 100 mm^–1. Diese Limitierung ist beispielsweise durch die Abmessungen des materialabtragenden Werkzeugs wie etwa Länge und Durchmesser eines Bohrers, die bei der Materialabtragung auftretenden Kräfte sowie die üblicherweise erreichbaren Toleranzen bedingt. Demgegenüber erlauben generative Herstellungsverfahren aufgrund zahlreicher Freiheitsgrade bei der Materialanlagerung wesentlich höhere Verhältnisse von Kanallänge zu Querschnittsfläche.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher einen Grundkörper mit einer Mehrzahl von ersten Kanälen und einer Mehrzahl von zweiten Kanälen, wobei ein Querschnitt der ersten und/oder der zweiten Kanäle von einem Umriss begrenzt wird, der abschnittsweise eine positive und eine negative Krümmung aufweist. Insbesondere weist der Querschnitt eine quadratische oder rechteckige Grundform mit einer oder mehreren Wölbungen zur Querschnittsmitte hin auf. Durch eine derartige unregelmäßige Form beziehungsweise derartige Wölbungen wird eine turbulente Strömung in den Kanälen begünstigt und in der Folge die Effizienz der Wärmeübertragung vorteilhaft erhöht.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, besonders bevorzugt mittels Selektiven Laserschmelzens, Laserauftragsschweißens, Kaltgasspritzens oder Elektronenstrahlschweißens gefertigt. Derartige Verfahren umfassen in der Regel ein selektives Aufschmelzen des Ausgangsmaterials. Dieses Aufschmelzen kann zur Ausbildung unregelmäßiger Querschnitte, beispielsweise mit Wölbungen zur Querschnittsmitte hin, die sich aus mathematischer Sicht durch Krümmungen mit wechselndem Vorzeichen charakterisieren lassen, führen. Weiterhin lassen sich bei generativen Herstellungsverfahren Kanäle mit unregelmäßigen Querschnitten aufgrund der hohen Zahl von Freiheitsgraden ohne zusätzlichen Aufwand ausbilden.
Herkömmliche Wärmetauscher mit gebohrten Kanälen oder aus Rohren gebildeten Kanälen weisen demgegenüber kreisförmige Querschnitte mit konstanter Krümmung auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher einen Grundkörper mit einer Mehrzahl von ersten Kanälen und einer Mehrzahl von zweiten Kanälen, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle voneinander durch Wände getrennt sind. Die ersten und/oder die zweiten Kanäle weisen quer zu einer Haupterstreckungsrichtung einen hydraulischen Durchmesser d_h und die Wände eine mittlere Rauheit R_a auf, wobei das Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu mittlerer Rauheit d_h/R_a kleiner oder gleich 1000 ist. Bevorzugt ist das Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu mittlerer Rauheit d_h/R_a kleiner oder gleich 500, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 50.
Der hydraulische Durchmesser d_h der ersten Kanäle entspricht dabei dem Durchmesser eines vollständig mit dem ersten Fluid gefüllten runden Rohres mit der Länge der ersten Kanäle, in dem sich bei gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids das gleiche Druckgefälle wie in den ersten Kanälen einstellen würde. Der hydraulische Durchmesser d_h der zweiten Kanäle entspricht dem Durchmesser eines vollständig mit dem zweiten Fluid gefüllten runden Rohres mit der Länge der zweiten Kanäle, in dem sich bei gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids das gleiche Druckgefälle wie in den zweiten Kanälen einstellen einstellen würde.
Unter der mittleren Rauheit R_a ist insbesondere die mittlere Rauheit nach DIN EN ISO 4287:2010 zu verstehen.
Mittels generativer Herstellungsverfahren ausgebildete Oberflächen weisen typischerweise eine signifikant größere mittlere Rauheit auf als beispielsweise durch Materialabtragung ausgebildte Oberflächen. Kanäle mit entsprechend rauen Wänden sind vorteilhaft für Wärmetauscher, da hierdurch im Betrieb eine turbulente Strömung der Fluide begünstigt und in der Folge eine effiziente Wärmeübertragung erzielt wird. So werden beispielsweise beim Selektiven Laserschmelzen Oberflächen mit einer typischen Rauigkeiten R_a im Bereich von 10 µm ausgebildet. Bei ersten und/oder zweiten Kanälen mit einem quadratischen Querschnitt und einer Kantenlänge von 0,4 mm ergibt sich ein Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu mittlerer Rauheit von etwa 40.
Es ist denkbar, die Oberflächengüte bei dem Wärmetauscher zu steigern und die Rauheit um etwa eine Größenordnung zu senken, so dass dann das Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu mittlerer Rauheit 400 beträgt. Herkömmliche Wärmetauscher weisen demgegenüber in der Regel ein Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu mittlerer Rauheit von über 1000 auf, da einerseits die hydraulischen Durchmesser größer und andererseits die Oberflächen glatter sind. So ergibt sich beispielsweise für gebohrte Kanäle mit einem Durchmesser von 5 mm und einer typischen mittleren Rauheit von 1 µm ein Verhältnis von 5000.
Vorzugsweise ist der Grundkörper des Wärmetauschers einstückig ausgebildet. Ein einstückiger Grundkörper kann ohne Weiteres mit einem generativen Herstellungsverfahren gefertigt werden. Gegenüber einem herkömmlichen, mehrstückig ausgebildeten Wärmetauscher wie zum Beispiel einem Rohrbündelwärmetauscher wird durch eine einstückige Ausführung der Herstellungsaufwand vorteilhaft gesenkt, da eine Montage der einzelnen Komponenten des Wärmetauschers entfällt. Weiterhin ermöglicht eine einstückige Ausführung einen vorteilhaft kompakten Wärmetauscher mit geringem Raumbedarf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wärmetauscher aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Metallcarbid gebildet. Insbesondere kann der Wärmetauscher Aluminium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Nickel, Palladium, Tantal, Titan, Wolfram oder Zirkonium oder eine Legierung aus zwei oder mehr dieser Metalle enthalten, oder aus einem dieser Metalle oder einer solchen Legierung bestehen. Weiter bevorzugt enthält der Wärmetauscher eine Nickel-Legierung, insbesondere eine Nickel-Kobalt-Legierung, eine Nickel-Kupfer-Legierung oder eine Chrom-Nickel-Legierung, oder ein Metallcarbid, insbesondere ein Wolframcarbid, ein Wolframkobaltcarbid, ein Chromcarbid, ein Nickelcarbid oder ein Chromnickelcarbid, oder besteht aus einer dieser Verbindungen oder Legierungen. Einige der oben genannten Nickel-Legierungen sind auch unter dem Namen oder Markennamen Inconel, Monel oder Hastelloy bekannt. Auch ist denkbar, Eisenwerkstoffe wie zum Beispiel Stähle, insbesondere Edelstähle, nicht-rostende Stähle, Werkzeugstähle, hochlegierte Stähle oder andere schweißbare metallische Werkstoffe als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Wärmetauschers zu verwenden. Derartige Materialien zeichnen sich durch eine vorteilhaft hohe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass eine effiziente Wärmeübertragung durch daraus gebildete Wände zwischen den ersten und zweiten Kanälen erreicht wird.
Weitergehend sind auch Kunststoffe und Kunststoff-Metall-Gemische, zum Beispiel mit Metallpartikeln gefüllte Kunststoffe, als Material für den Wärmetauscher geeignet.
Zwar weisen kunststoff-basierte Materialien in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die oben genannten metallischen Materialien auf, können aber aufgrund der bei dem Wärmetauscher realisierbaren geringen Wandstärken zwischen den Kanälen dennoch mit Vorteil eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise lassen sich die genannten Materialien in der Regel mit generativen Herstellungsverfahren gut verarbeiten.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der Wärmetauscher mindestens ein Kopfstück mit einer Innenöffnung und einer Außenöffnung auf, wobei die ersten oder die zweiten Kanäle in die Innenöffnung des Kopfstücks münden. Das Kopfstück dient insbesondere zum Anschluss des Wärmetauschers an eine Zu- oder Ableitung des ersten oder zweiten Fluids und damit zum Ein- oder Auslass des ersten oder zweiten Fluids. Über die Innenöffnung des Kopfstücks wird einlassseitig das Fluid auf die in die Innenöffnung mündenden ersten Kanäle verteilt. Auslassseitig erfolgt mittels des Kopfstücks eine Zusammenführung der durch die einzelnen Kanäle strömenden Fluidanteile hin zu einer an der Außenöffnung des Kopfstücks anschließbaren Ableitung.
Bevorzugt weist der Wärmetauscher zwei erste Kopfstücke mit jeweils einer Innenöffnung und einer Außenöffnung auf, wobei die ersten Kanäle an beiden Enden in die Innenöffnungen der ersten Kopfstücke münden. Dabei kann eines der beiden ersten Kopfstücke ein einlassseitiges Kopfstück und das andere erste Kopfstück ein auslassseitiges Kopfstück für die ersten Kanäle bilden.
Alternativ können die ersten Kopfstücke auch mit einer Mehrzahl von Innen- und/oder Außenöffnungen ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, ein erstes Kopfstück mit zwei oder mehr Außenöffnungen zu versehen und das gegenüberliegende erste Kopfstück ohne Außenöffnung auszubilden. In diesem Fall wird das erste Fluid mittels des ersten Kopfstücks über die zwei oder mehr Außenöffnungen sowohl zu- als auch abgeführt, während das gegenüberliegende Kopfstück ohne Außenöffnung der Umleitung der Strömung des ersten Fluids hin zu dem Kopfstück mit zwei oder mehr Außenöffnungen dient. Auch ist es denkbar, die Strömungsumlenkung durch einen entsprechenden Verlauf der ersten Kanäle zu realisieren, so dass ein einziges erstes Kopfstück mit Außenöffnungen sowohl zur Zu- als auch zur Abführung des ersten Fluids ausreicht.
Weiter bevorzugt weist der Wärmetauscher zwei zweite Kopfstücke mit jeweils einer Innenöffnung und einer Außenöffnung auf, wobei die zweiten Kanäle an beiden Enden in die Innenöffnungen der zweiten Kopfstücke münden. Dabei kann eines der beiden zweiten Kopfstücke ein einlassseitiges Kopfstück und das andere zweite Kopfstück ein auslassseitiges Kopfstück für die zweiten Kanäle bilden.
Alternativ können die zweiten Kopfstücke auch mit einer Mehrzahl von Innen- und/oder Außenöffnungen ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, ein zweites Kopfstück mit zwei oder mehr Außenöffnungen zu versehen und das gegenüberliegende zweite Kopfstück ohne Außenöffnung auszubilden. In diesem Fall wird das zweite Fluid mittels des zweiten Kopfstücks über die zwei oder mehr Außenöffnungen sowohl zu- als auch abgeführt, während das gegenüberliegende Kopfstück ohne Außenöffnung der Umleitung der Strömung des zweiten Fluids hin zu dem Kopfstück mit zwei oder mehr Außenöffnungen dient. Auch ist es denkbar, die Strömungsumlenkung durch einen entsprechenden Verlauf der zweiten Kanäle zu realisieren, so dass ein einziges zweites Kopfstück mit Außenöffnungen sowohl zur Zu- als auch zur Abführung des zweiten Fluids ausreicht.
Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die Kopfstücke mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, insbesondere mittels eines der oben genannten Herstellungsverfahren, hergestellt. Weiterhin können die Kopfstücke eines der oben genannten Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen enthalten oder daraus bestehen. Die Kopfstücke und der Wärmetauscher können in einem gemeinsamen generativen Herstellungsverfahren gefertigt werden. Bevorzugt wird dabei zwischen dem Grundkörper und den Kopfstücken eine Verbindung ausgebildet, so dass ein Wärmetauscher mit einem Grundkörper und daran angeformten Kopfstücken hergestellt wird.
Alternativ können die Kopfstücke separat oder ohne Verbindung zum Grundkörper hergestellt und nachfolgend mit dem Grundkörper stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verschweißt, werden. Weiterhin ist es auch möglich, die Kopfstücke mit einer anderen Verbindungsart mit dem Grundkörper zu verbinden. Beispielsweise können die Kopfstücke mit dem Grundkörper kraftschlüssig oder formschlüssig verbunden, etwa geklemmt oder verschraubt sein. Hierbei kann eine lösbare Verbindung vorteilhaft sein, um zum Beispiel die Reinigung oder Wartung des Wärmetauschers zu erleichtern. Zweckmäßigerweise sind bei form- oder kraftschlüssigen Verbindungen, insbesondere bei lösbaren Verbindungen, zwischen Grundkörper und Kopfstück eine Dichtung vorgesehen. Entsprechende Ausgestaltungen können für Wärmetauscher mit nur einem Kopfstück vorgesehen sein.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Wärmetauschers weist der Grundkörper eine polyedrische Grundform, insbesondere eine würfel- oder quaderförmige Grundform, auf. Bevorzugt verlaufen die ersten Kanäle parallel zu einer ersten Kante des Grundkörpers und die zweiten Kanäle parallel zu einer zweiten Kante des Grundkörpers. Weiter bevorzugt sind die erste und die zweite Kante nicht parallel, so dass die ersten und zweiten Kanäle ebenfalls nicht parallel zueinander verlaufen. Insbesondere können die entsprechenden Kanten beziehungsweise die Verlaufsrichtungen der ersten und zweiten Kanäle senkrecht aufeinander stehen. Diese Anordnung erleichtert die Zu- und Abführung der Fluide über verschiedenen Seitenflächen des polyedrischen Grundkörpers.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Wärmetauschers verlaufen die ersten Kanäle zueinander parallel und zweiten Kanäle zueinander parallel, wobei die Verlaufsrichtungen der ersten und zweiten Kanäle einen von 90° verschiedenen Winkel einschließen oder parallel sind. Bei dieser Ausgestaltung ist es beispielsweise möglich, das erste und das zweite Fluid über gemeinsame Kopfstücke oder sogar über ein einziges, gemeinsames Kopfstück zu- beziehungsweise abzuführen.
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten des Wärmetauschers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 3.
Es zeigen
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers,
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers, und
3 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den oben genannten Figuren sind nicht maßstabsgetreu. Insbesondere können einzelne Elements zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß gezeigt sein.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers weist einen würfelförmigen, einstückigen Grundkörper 1 auf, in dem eine Mehrzahl von ersten Kanälen 2 und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen 3 ausgebildet ist. Die Kanäle sind jeweils gitterartig angeordnet und verlaufen jeweils gerade und parallel zu einer der Würfelkanten 4 und 5. Diese Würfelkanten sind zueinander nicht parallel, sondern schließen einen Winkel von 90° ein, so dass sich in der Draufsicht die Kanäle kreuzen.
Die Kanäle weisen einen Querschnitt mit einer näherungsweise quadratischen Grundform auf.
Im Betrieb werden die ersten Kanäle 2 von einem ersten Fluid und die zweiten Kanäle 3 von einem zweiten Fluid durchströmt, so dass eine Wärmeübertragung von einem der Fluide zum anderen Fluid erfolgt. Da die Kanäle in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, und die Wände zwischen den Kanälen zumindest bis zu einem vorgegebenen Maximaldruck dicht sind, sind die ersten Kanäle 2 von den zweiten Kanälen 3 separiert, so dass eine Vermischung der Fluide, die in der Regel unerwünscht ist, ausgeschlossen ist. Der Maximaldruck kann dabei sowohl ein Maximalüberdruck als auch ein Maximalunterdruck sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher sowohl im Unterdruck oder Vakuum als auch im Überdruck betrieben werden.
Der Wärmetauscher ist mit einem Selektiven Laserschmelzverfahren als einem generativen Herstellungsverfahren hergestellt. Als Ausgangmaterial wurde ein Titanpulver verwendet, so dass der fertige Grundkörper im Wesentlichen aus Titan sowie gegebenfalls Additiven für das generative Herstellungsverfahren besteht. Es versteht sich, dass hierbei der Grundkörper je nach Reinheitsklasse des Titanpulvers auch andere Materialien, die beispielsweise als Verunreinigungen in dem Titanpulver enthalten sein können, in geringer Menge aufweisen kann. Es versteht sich weiter, dass das Ausführungsbeispiel und dessen weitere Merkmale weder auf Titan als Material noch auf Selektives Laserschmelzen als Herstellungsverfahren beschränkt sind.
Die generative Herstellung des Wärmetauschers erlaubt die Ausbildung sehr kleiner Kanäle mit dünnen Wänden und hohem Verhältnis von Länge der Kanäle L zu Querschnittsfläche F. So beträgt die Kantenlänge des würfelförmigen Grundkörpers und somit die Länge L der ersten und zweiten Kanäle 50 mm und die Seitenlänge D der quadratischen Kanalquerschnitte 0,4 mm. Hieraus ergibt sich eine Querschnittsfläche F von 0,16 mm² und in der Folge ein vorteilhaft hohes Verhältnis L/F von 312,5 mm^–1.
Die Wände des Wärmetauschers weisen eine mittlere Rauheit R_a von 10 µm auf. Hieraus ergibt sich bei typischen Strömungsgeschwindigkeiten ein Verhältnis von hydraulischem Durchmesser d_h zu mittlerer Rauheit R_a von etwa 40. Durch diese vergleichsweise große Rauheit wird eine turbulente Strömung in den Kanälen und damit ein effizienter Wärmeübergang zwischen den die Kanäle im Betrieb durchströmenden Fluiden begünstigt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass für eine hohe Effizienz des Wärmetauschers nicht nur ein gut wärmeleitendes Material für die Wände zwischen den Kanälen, sondern auch kleine Querschnittsflächen der Kanäle wesentlich sind. In der Regel wird für Wärmetauscher ohnehin ein gut wärmeleitendes, beispielsweise metallisches Material verwendet, so dass den größten Einzelwärmewiderstand bei der Wärmeübertragung nicht die Wände zwischen den Kanälen, sondern die Fluide selbst darstellen. Hierbei ist zu beachten, dass eine Wärmeübertragung nicht nur von den Wänden in die unmittelbar angrenzende Fluidschicht, sondern auch innerhalb Fluide erfolgt. Es hat sich daher für die Effizienz des Wärmetauschers als vorteilhaft herausgestellt, die Wärmeübertragungswege innerhalb der Fluide klein zu halten und somit Kanäle mit möglichst geringen Querschnittsabmessungen vorzusehen. Hierdurch wird eine wesentliche höhere Effizienz als bei herkömmlichen Wärmetauschern oder ein vorteilhaft geringeres Volumen bei gleicher Effizienz erreicht.
Vorteile des vorliegend beschriebenen Wärmetauschers gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern werden durch Werte in der nachfolgenden Tabelle belegt, wobei die erste Zeile Werte für einen Wärmetauscher gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und die zweite und dritte Zeile typische Werte für herkömmliche Platten- und Röhrenwärmetauscher angibt. Die Werte wurden durch Simulationsrechungen ermittelt.

Typ U (W/m²K) A (m²) V (cm³)

Wärmetauscher Ausführungsbsp.1 3800 0,5 130

Röhrenwärmetauscher 900 2,5 14160

Plattenwärmetauscher 3000 0,8 1160
Hierbei bezeichnet U den Gesamtwärmedurchgangskoeffizienten des Wärmetauschers, A die Gesamtwärmeaustauschfläche und V ein typisches Volumen des Wärmetauschers einschließlich Kopfstücken. Bei der Bestimmung des Gesamtwärmedurchgangskoeffizienten U wurden insbesondere die jeweiligen Wärmewiderstände innerhalb der Fluide von Kanalmitte zur Wand, zwischen den Fluiden und Wänden und innerhalb der Wände berücksichtigt.
Vorteilhafterweise vereint der Wärmetauscher eine hohe Effizienz und eine kompakte Bauform. Insbesondere ist ein gerader und damit platzsparender Verlauf der Kanäle realisierbar. Krümmungen der Kanäle und gesonderte Strukturen zur Verwirbelung der Fluide zur Ausbildung einer turbulenten Strömung sind nicht erforderlich, wären aber im Rahmen eines generativen Herstellungsverfahrens ohne Weiteres realisierbar.
Das in 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers weist wie das erste Ausführungsbeispiel einen Grundkörper 1 mit einer Mehrzahl von ersten Kanälen 2 und zweiten Kanälen auf. Weiterhin umfasst der Wärmetauscher zwei erste Kopfstücke 6, 7 und zwei zweite Kopfstücke 8, 9 mit jeweils einer quadratischen Innenöffnung 10, 11, 12, 13 und einer kreisförmigen Außenöffnung 14, 15, 16, 17. Die ersten Kanäle 2 münden beidseits in die Innenöffnungen 10, 11 der ersten Kopfstücke 6, 7, und die zweiten Kanäle 3 münden jeweils in die Innenöffnungen 12, 13 der zweiten Kopfstücke 8, 9. Somit kann das erste Fluid über die Außenöffnung 14 des ersten Kopfstücks 6 den ersten Kanälen 2 zugeführt und über die Außenöffnung 10 des anderen ersten Kopfstücks 7 abgeführt werden. Für die Zuführung des Fluids können an den Kopfstücken Flansche, insbesondere Normflansche, Nippel, Muffen oder ähnliche Vorrichtungen oder Verbindungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für das zweite Fluid, die zweiten Kanäle 3 und die zweiten Kopfstücke 8, 9.
In der explosionsartigen Darstellung in 2 sind die Kopfstücke 6, 7, 8, 9 der besseren Darstellbarkeit halber beabstandet von dem Grundkörper 1 gezeigt. Es versteht sich, dass in der Realität die Kopfstücke mit dem Grundkörper fest und dicht verbunden, beispielsweise angeformt oder verschweißt sind.
In 3 ist ausschnittweise der Querschnitt von ersten Kanälen eines dritten Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers dargestellt. Die folgende Beschreibung gilt analog für die zweiten Kanäle. Wie die vorhergehenden Ausführungsbeispiele ist dieses Ausführungsbeispiel mittels Selektiven Laserschmelzens als generativem Herstellungsverfahren hergestellt.
Die Kanäle weisen einen Querschnitt 18 mit einer rechteckigen Grundform 19 auf. Aufgrund des generativen Herstellungsverfahrens und insbesondere eines Aufschmelzen des Ausgangsmaterials im Rahmen dieses generativen Herstellungsverfahrens weicht der tatsächliche Querschnitt 18 von der Grundform 19 ab, wobei Wölbungen 20 zur Querschnittsmitte hin ausgebildet sind. Somit weist der Umriss 21 des Querschnitts abschnittsweise unterschiedliche Krümmungen K auf, die abschnittsweise positiv (K > 0) und negativ (K < 0) sind. Weiterhin weisen die Kanäle aufgrund des generativen Herstellungsverfahrens entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung unterschiedliche und unregelmäßige Querschnitte auf. Mit anderen Worten sind auch längs der Kanäle Wölbungen ausgebildet. Diese Wölbungen 20 begünstigen eine für die Wärmeübertragung vorteilhafte turbulente Strömung der Fluide in den Kanälen und sind mittels generativer Herstellungsverfahren ohne besonderen Zusatzaufwand ausbildbar.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 4287:2010 [0018]

Claims

Wärmetauscher mit einem Grundkörper (1), der eine Mehrzahl von ersten Kanälen (2) und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen (3) aufweist, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle voneinander durch Wände getrennt sind, und wobei die Wände mittels eines generativen Herstellungsverfahrens ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das generative Herstellungsverfahren Selektives Laserschmelzen, Laserauftragsschweißen, Kaltgasspritzen, Elektronenstrahlschweißen, Lasersintern, Elektronenstrahlsintern, ein Pulver-3D-Druckverfahren oder ein Schmelzschichtverfahrten ist.
Wärmetauscher mit einem Grundkörper, der eine Mehrzahl von ersten Kanälen (2) und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen (3) aufweist, wobei die ersten und/oder die zweiten Kanäle in einer Haupterstreckungsrichtung eine Länge L und quer zu der Haupterstreckungsrichtung eine Querschnittsfläche F aufweisen, und wobei das Verhältnis von Länge zu Querschnittsfläche L/F größer oder gleich 100 mm^–1 ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis von Länge zu Querschnittsfläche L/F größer oder gleich 300 mm^–1, bevorzugt größer oder gleich 500 mm^–1 ist.
Wärmetauscher mit einem Grundkörper, der eine Mehrzahl von ersten Kanälen (2) und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen (3) aufweist, wobei ein Querschnitt (18) der ersten und/oder der zweiten Kanäle von einem Umriss (21) begrenzt wird, der abschnittsweise eine positive und eine negative Krümmung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die ersten und/oder die zweiten Kanäle einen Querschnitt (18) mit einer rechteckigen oder quadratischen Grundform (19), einer Querschnittsmitte und mindestens einer Wölbung (20) zur Querschnittsmitte hin aufweisen.
Wärmetauscher mit einem Grundkörper (1), der eine Mehrzahl von ersten Kanälen (2) und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen (3) aufweist, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle voneinander durch Wände getrennt sind, die ersten und/oder die zweiten Kanäle einen hydraulischen Durchmesser d_h und die Wände eine mittlere Rauheit R_a aufweisen, und das Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu Rauheit d_h/R_a kleiner oder gleich 1000 ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei das Verhältnis von hydraulischem Durchmesser zu Rauheit d_h/R_a kleiner oder gleich 500, bevorzugt kleiner oder gleich 50 ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) des Wärmetauschers einstückig ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher mindestens eines der folgenden Metalle oder eine Legierung von zumindest zwei der folgenden Metalle enthält, oder aus mindestens einem der folgenden Metalle oder einer Legierung aus zumindest zwei der folgenden Metalle besteht: Aluminium, Chrom, Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel, Palladium, Tantal, Titan, Wolfram, Zirkonium.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher eine Nickel-Legierung, insbesondere eine Nickel-Kobalt-Legierung oder eine Chrom-Nickel-Legierung, ein Metallcarbid, insbesondere ein Wolframcarbid, ein Wolframkobaltcarbid, ein Chromcarbid, ein Nickelcarbid oder ein Chromnickelcarbid, oder einen Stahl, insbesondere einen Edelstahl, einen nicht-rostenden Stahl, einen Werkzeugstahl oder einen hochlegierten Stahl enthält oder daraus besteht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher einen Kunststoff enthält oder aus einem Kunststoff besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, wobei der Kunststoff mit Metallpartikeln gefüllt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher mindestens ein Kopfstück (6, 7, 8, 9) mit einer Innenöffnung (10, 11, 12, 13) und einer Außenöffnung aufweist (14, 15, 16, 17), und wobei die ersten oder die zweiten Kanäle in die Innenöffnung des Kopfstücks münden.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher zwei erste Kopfstücke (6, 7) mit jeweils einer Innenöffnung (10, 11) und einer Außenöffnung (14, 15) aufweist, und wobei die ersten Kanäle (2) in die Innenöffnungen der ersten Kopfstücke münden.
Wärmetauscher nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wärmetauscher zwei zweite Kopfstücke (8, 9) mit jeweils einer Innenöffnung (12, 13) und einer Außenöffnung (16, 17) aufweist, und wobei die zweiten Kanäle (3) in die Innenöffnungen der zweiten Kopfstücke münden.
Wärmetauscher nach Anspruch 14 bis 16, wobei das Kopfstück beziehungsweise die Kopfstücke (6, 7, 8, 9) mittels eines generativen Herstellungsverfahrens ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei das Kopfstück beziehungsweise die Kopfstücke (6, 7, 8, 9) und der Grundkörper (1) mittels eines gemeinsamen generativen Herstellungsverfahrens ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Kopfstück beziehungsweise die Kopfstücke (6, 7, 8, 9) an den Grundkörper (1) angeschweißt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) eine polyedrische Grundform, insbesondere eine würfel- oder quaderförmige Grundform aufweist.
Wärmetauscher nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die polyedrische Grundform Kanten (4, 5) aufweist, und die ersten Kanäle (2) parallel zu einer ersten Kante (4) und die zweiten Kanäle (3) parallel zu einer vorzugsweise zur ersten Kante nicht parallelen zweiten Kante (5) verlaufen.