DE102017200576A1 - Process for the preparation of an evaporator and evaporator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers 1 mit den Verfahrensschritten Bereitstellen eines Halbzeugs eines Verdampfers 1 mit einem Energieübertragungsbereich 6 zur Übertragung von Wärme einer Wärmequelle 7 auf eine Flüssigkeit, und Fertigstellen des Verdampfers 1 sowie einen Verdampfer und dessen Verwendung. Beim Fertigstellen werden mittels eines dreidimensionalen Druckverfahrens Blasenkeimstellen 10 aufweisende Oberflächenstrukturen 3 auf eine Oberfläche des Energieübertragungsbereiches 6 aufgedruckt.The invention relates to a method for producing an evaporator 1 with the method steps of providing a semifinished product of an evaporator 1 with a power transfer area 6 for transferring heat from a heat source 7 to a liquid, and finishing the evaporator 1 and an evaporator and its use. Upon completion, surface structures 3 having nucleation sites 10 are printed onto a surface of the energy transfer region 6 by means of a three-dimensional printing process.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers mit den Verfahrensschritten Bereitstellen eines Halbzeugs eines Verdampfers mit einem Energieübertragungsbereich zur Übertragung von Wärme einer Wärmequelle auf eine Flüssigkeit und Fertigstellen des Verdampfers, sowie einen mittels des Herstellungsverfahrens hergestellten Verdampfer und dessen Verwendung.The invention relates to a method for producing an evaporator comprising the steps of providing a semifinished product of an evaporator having an energy transfer area for transferring heat from a heat source to a liquid and finishing the evaporator, and an evaporator manufactured by the manufacturing method and its use.
Mittels eines derartigen Verdampfers wird über dessen Energieübertragungsbereich von der Wärmeenergiequelle Wärme auf die Flüssigkeit übertragen, wodurch die Flüssigkeit verdampft wird. Insbesondere wird dabei ein Blasensieden in der Flüssigkeit erzeugt. Als Blasensieden wird die Entstehung von Gasblasen durch Erwärmung innerhalb der Flüssigkeit bezeichnet. Gattungsgemäße Verdampfer werden bei Verdampfungsprozessen z.B. in folgenden technischen Einsatzgebieten verwendet: in thermischen Transformationsprozessen, z.B. Kältemaschinen und/oder Wärmepumpen, in der Hochleistungsbauteilkühlung, z.B. von Mikroprozessoren, in der thermischen Verfahrenstechnik und/oder in der Energietechnik.By means of such an evaporator heat is transferred to the liquid via the energy transfer region of the heat energy source, whereby the liquid is evaporated. In particular, nucleate boiling is generated in the liquid. As nucleate boiling, the formation of gas bubbles by heating within the liquid is called. Generic evaporators are used in evaporation processes e.g. used in the following technical applications: in thermal transformation processes, e.g. Chillers and / or heat pumps, in high performance component cooling, e.g. of microprocessors, in thermal process engineering and / or in power engineering.
Bei Verdampfungsprozessen, insbesondere beim sogenannten Blasensieden, treten sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten am Energieübertragungsbereich auf, welche durch die Dynamik der Blasenbildung, des Blasenwachstums sowie des Blasenabreißens und -abtransportes bedingt sind. Für das Zustandekommen der Blasenbildung an einer Wandfläche des Energieübertragungsbereiches sind dabei Blasenkeimstellen und eine gegenüber der Sättigungstemperatur des zu verdampfenden Fluides, d.h. der Flüssigkeit, erhöhte Wandtemperatur (Wandüberhitzung) notwendig. Es ist bekannt, dass vor allem besondere geometrische Stellen, wie etwa Ecken und Kanten, ideale Keimstellen für die Bildung von Blasen (Blasenkeimstellen) darstellen. So weisen beispielsweise rechteckige Rippenstrukturen einen gegenüber einer glatten Oberfläche verbesserten Wärmeübergang beim Blasensieden auf und verbessern damit die Effizienz eines Verdampfers mit derartigen Oberflächenstrukturen im Energieübertragungsbereich.In evaporation processes, in particular during so-called nucleate boiling, very high heat transfer coefficients occur in the energy transfer region, which are caused by the dynamics of bubble formation, bubble growth and also bubble rupture and removal. For the formation of blistering on a wall surface of the energy transfer region thereby bubble nucleation sites and compared to the saturation temperature of the fluid to be evaporated, i. the liquid, increased wall temperature (wall overheating) necessary. It is known that, in particular, special geometrical locations, such as corners and edges, represent ideal nucleation sites for the formation of bubbles (nucleation sites). For example, rectangular fin structures have better heat transfer in nucleate boiling compared to a smooth surface, thereby improving the efficiency of an evaporator having such surface structures in the energy transfer area.
In der wissenschaftlichen Veröffentlichung McGills et all.: „Pool boiling enhancement techniques for water at low pressures“; WRL Research Report 90/9, 1990 werden Oberflächenstrukturen bei einem Halbzeug eines Verdampfers mit einem, einen Energieübertragungsbereich ausbildenden Kupferstab durch Herausarbeiten aus dem Kupferstab hergestellt. Oberflächenstrukturen mit vielen Kanten sind mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur sehr aufwendig herstellbar, so dass eine Effizienzsteigerung des Verdampfers dessen Herstellungskosten bzw. -aufwand signifikant erhöht.In the scientific publication McGills et al .: "Pool boiling enhancement techniques for water at low pressures"; WRL Research Report 90/9, 1990, surface structures are produced on a semifinished product of an evaporator with a copper rod forming an energy transfer region by working out of the copper rod. Surface structures with many edges are not or only very expensive to produce with conventional manufacturing methods, so that an increase in efficiency of the evaporator significantly increases its production costs and expenses.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers und einen Verdampfer bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik verringert, wobei insbesondere eine einfache Herstellung eines Verdampfers mit verbesserter Blasenbildung beim Verdampfen einer Flüssigkeit ermöglicht werden soll.It is therefore an object of the present invention to provide a process for the production of an evaporator and an evaporator, which reduces the disadvantages of the prior art, in particular a simple production of an evaporator with improved bubble formation during evaporation of a liquid is to be made possible.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.The object is achieved by a method according to
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers wird ein Halbzeug eines Verdampfers mit einem Energieübertragungsbereich zur Übertragung von Wärme einer Wärmequelle auf eine Flüssigkeit bereitgestellt und darauffolgend der Verdampfer durch Erzeugen von Blasenkeimstellen fertiggestellt. Dabei wird unter Halbzeug nicht lediglich ein Bauteil oder ein Ausgangsmaterial verstanden, sondern auch ein bereits verwendbarer Verdampfer der erfindungsgemäß bedruckt werden soll. Erfindungsgemäß werden beim Fertigstellen mittels eines dreidimensionalen Druckverfahrens (3D-Druckverfahren) Blasenkeimstellen aufweisende Oberflächenstrukturen auf eine Oberfläche des Energieübertragungsbereiches aufgedruckt. Die Blasenkeimstellen weisen insbesondere Kanten und/oder Ecken auf. Wobei die Kanten und/oder Ecken scharf ausgebildet werden, d.h. im Rahmen der Produktionsgenauigkeit werden die Kanten und/oder Ecken abrundungsfrei aufgedruckt. Bei einem 3-D Druckverfahren werden die aufzudruckenden Oberflächenstrukturen schichtweise aus einem Druckmaterial aufgetragen und nachfolgend z.B. durch chemisches Härten, Trocknen, Sintern und/oder Entbindern ausgehärtet. Als entbindern wird das Entfernen eines Bindemittels z.B. durch Erhitzen bezeichnet, wobei das Bindemittel z.B. Metallpartikel in dem Druckmaterial umschließt um diese formstabil aufdrucken zu können.In the method for producing an evaporator according to the present invention, there is provided a semifinished product of an evaporator having an energy transfer region for transferring heat from a heat source to a liquid, and subsequently completing the evaporator by producing nucleation sites. In this case, semi-finished products are understood to mean not only a component or a starting material but also an already usable evaporator which is intended to be printed according to the invention. According to the invention, upon completion by means of a three-dimensional printing process (3D printing process), surface structures having nucleation sites are printed on a surface of the energy transfer region. The bladder nucleation sites in particular have edges and / or corners. Wherein the edges and / or corners are formed sharp, i. As part of the production accuracy, the edges and / or corners are printed without rounding off. In a 3-D printing process, the surface structures to be printed are layered from a printing material, and subsequently, e.g. cured by chemical curing, drying, sintering and / or binder removal. As debinding, the removal of a binder e.g. by heating, the binder being e.g. Metal particles in the printing material surrounds to print this dimensionally stable.
Mit einer erfindungsgemäß gedruckten Verdampfungsstruktur wird bei einem einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozess eine Leistungssteigerung der Flüssigkeitsverdampfung erreicht. Neben dem leistungssteigernden Effekt der Oberflächenvergrößerung durch die aufgedruckten Oberflächenstrukturen wird die Verdampfungsleistung vor allem durch die Bildung zusätzlicher Blasen an den Kanten der insbesondere als Rippenstrukturen ausgebildeten Oberflächenstrukturen beim Blasensieden gesteigert.With an evaporation structure printed according to the invention, a performance increase of the liquid evaporation is achieved in a simple and cost-effective production process. In addition to the performance-enhancing effect of the surface enlargement by the printed surface structures, the evaporation performance is increased above all by the formation of additional bubbles at the edges of the surface structures formed in the form of rib structures, in particular during nucleate boiling.
Vorteilhaft werden die Oberflächenstrukturen rippenförmig von der Oberfläche abstehend aufgedruckt, wobei die Oberflächenstrukturen vieleckige Grundflächen aufweisen. Durch eine derartige Rippenstruktur kann eine maximale Anzahl an Kanten auf der bedruckten Oberfläche erreicht werden, wodurch eine verstärkte Bildung von Gasblasen in einer zu verdampfenden Flüssigkeit zur effektiveren Wärmeübertragung ermöglicht wird.Advantageously, the surface structures are rib-shaped projecting from the surface imprinted, wherein the surface structures have polygonal bases. By means of such a rib structure, a maximum number of edges on the printed surface can be achieved, thereby enabling an increased formation of gas bubbles in a liquid to be evaporated for more effective heat transfer.
Besonders leicht lösen sich gebildete Gasblasen von Oberflächenstrukturen ab, wenn die Oberflächenstrukturen mit spitzen Kantenwinkeln aufgedruckt werden. Spitze Kantenwinkel ermöglichen weiter eine lokal an den Kanten verbesserte Erwärmung der Flüssigkeit und damit eine verstärkte Blasenbildung.Gas bubbles formed are particularly easy to detach from surface structures when the surface structures are printed with sharp edge angles. Apex edge angles further facilitate local heating of the liquid at the edges and thus increased blistering.
Die Anzahl von Kanten pro Oberfläche des Energieübertragungsbereiches wird optimiert, wenn die spitzen Kantenwinkel derart angeordnet sind, dass die Oberflächenstrukturen eine sternförmige Grundfläche aufweisen. Als besonders effektive Oberflächenstrukturen des Verdampfers (Verdampferstrukturen) werden daher Sternstrukturen, welche durch eine Vielzahl an Kanten gekennzeichnet sind, vorgeschlagen.The number of edges per surface of the energy transfer region is optimized if the acute edge angles are arranged such that the surface structures have a star-shaped base surface. As particularly effective surface structures of the evaporator (evaporator structures) are therefore star structures, which are characterized by a variety of edges proposed.
Wenn zur Bereitstellung des Halbzeugs das dreidimensionale Druckverfahren, mit dem auch die Oberflächenstrukturen aufgedruckt werden, eingesetzt wird, kann der gesamte Verdampfer mittels 3D-Druck kostengünstig in nahezu beliebiger Form hergestellt werden.If the three-dimensional printing process, with which the surface structures are also printed, is used to provide the semifinished product, the entire evaporator can be inexpensively produced in virtually any shape by means of 3D printing.
Besonders geeignet zum Drucken der Oberflächenstrukturen ist ein dreidimensionales Druckverfahren, das ein Siebdruckverfahren umfasst. D.h. die Oberflächenstrukturen werden dabei mittels des dreidimensionalen Siebdruckverfahrens aufgedruckt. Mittels eines dreidimensionalen Siebdruckverfahrens können sowohl oberflächenvergrößernde Strukturen ab 60 µm Detaildurchmesser als auch beliebige Werkstoffe aufgedruckt werden. Dazu können beliebige Designs für die Oberflächenstrukturen genutzt werden. Mit einem 3D-Siebdruckverfahren werden die Verdampferstrukturen Schicht für Schicht aus einer Paste (Druckpaste) übereinander gedruckt, entbindert und/oder gesintert. Beim Siebdruck wird eine Druckpaste durch ein Sieb, das das zu druckende Design als Öffnungen aufweist, durch diese Öffnungen gedrückt, um es entsprechend des Designs auf die zu bedruckende Oberfläche aufzudrucken. Dabei können auch unterschiedliche Siebe (Drucksiebe) mit verschiedenen Designs, durch die die Druckpaste auf die zu bedruckende Oberfläche gepresst wird, nacheinander verwendet werden.Particularly suitable for printing the surface structures is a three-dimensional printing process comprising a screen printing process. That The surface structures are printed by means of the three-dimensional screen printing process. By means of a three-dimensional screen printing process surface enlarging structures from 60 μm detail diameter as well as arbitrary materials can be printed. Any designs for the surface structures can be used for this purpose. With a 3D screen printing process, the evaporator structures are printed one above the other layer by layer from a paste (printing paste), debind and / or sintered. In screen printing, a printing paste is forced through these openings through a screen having the design to be printed through these openings to print it on the surface to be printed according to the design. In this case, different screens (printing screens) with different designs, by which the printing paste is pressed onto the surface to be printed, can be used one after the other.
Wenn bei dem Siebdruckverfahren verschiedene Drucksiebe zum Aufdrucken verschiedener Oberflächenstrukturdetails verwendet werden, können Schichten der Verdampferstrukturen mit unterschiedlichen Designs übereinander gedruckt werden.When the screen printing method employs various printing screens for printing various surface structure details, layers of the evaporator structures having different designs can be printed on top of each other.
Mittels des erfindungsgemäßen Bedruckens der Oberfläche des Energieübertragungsbereiches können Oberflächenstrukturdetails mit Materialstärken kleiner als einen halben Millimeter aufgedruckt werden.By means of the printing according to the invention of the surface of the energy transfer area surface texture details can be printed with material thicknesses smaller than half a millimeter.
Ein erfindungsgemäßer Verdampfer ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Bei dem Verdampfer sind auf einer Oberfläche eines Energieübertragungsbereiches des Verdampfers mittels eines dreidimensionalen Druckverfahrens Blasenkeimstellen aufweisende Oberflächenstrukturen aufgedruckt.An inventive evaporator is prepared by the process according to the invention. In the evaporator, surface structures having nucleation sites are printed on a surface of an energy transfer region of the evaporator by means of a three-dimensional printing process.
Vorteilhaft stehen die Oberflächenstrukturen rippenförmig von der Oberfläche ab, wobei die Oberflächenstrukturen vieleckige Grundflächen aufweisen. Insbesondere weisen die Oberflächenstrukturen spitze Kantenwinkel auf. Die spitzen Kantenwinkel können vorteilhaft derart angeordnet sein, dass die Oberflächenstrukturen eine sternförmige Grundfläche aufweisen.Advantageously, the surface structures are rib-shaped from the surface, wherein the surface structures have polygonal base surfaces. In particular, the surface structures have sharp edge angles. The acute edge angles can advantageously be arranged such that the surface structures have a star-shaped base surface.
Ein erfindungsgemäßer Verdampfer wird derart verwendet, dass mittels des Verdampfers über dessen Energieübertragungsbereich von einer Wärmeenergiequelle Wärme auf eine Flüssigkeit übertragen wird, wobei an den aufgedruckten Oberflächenstrukturen ein Blasensieden in der Flüssigkeit erzeugt wird. Die Verwendung des Verdampfers kann bei Verdampfungsprozessen z.B. in folgenden technischen Einsatzgebiet erfolgen: in thermischen Transformationsprozessen, z.B. Kältemaschinen und/oder Wärmepumpen, in der Hochleistungsbauteilkühlung, z.B. von Mikroprozessoren, in der thermischen Verfahrenstechnik und/oder in der Energietechnik.An evaporator according to the invention is used in such a way that heat is transferred to a liquid by means of the evaporator via its energy transfer region from a heat energy source, wherein nucleate boiling in the liquid is produced on the printed surface structures. The use of the evaporator can be used in evaporation processes e.g. in the following technical application: in thermal transformation processes, e.g. Chillers and / or heat pumps, in high performance component cooling, e.g. of microprocessors, in thermal process engineering and / or in power engineering.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verdampfers, wobei die aufgedruckten Oberflächenstrukturen in einer photographischen Detailvergrößerung dargestellt sind. -
2 eine Auswahl an Grundformen für vieleckige Grundflächen von rippenförmigen Oberflächenstrukturen (Rippenstrukturen).
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1 a schematic representation of an evaporator according to the invention, wherein the printed surface structures are shown in a photographic detail magnification. -
2 a selection of basic shapes for polygonal bases of rib-shaped surface structures (rib structures).
In
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. The above description is therefore not to be considered as limiting, but as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. As long as the claims and the above description define "first" and "second" embodiments, this designation serves to distinguish two similar embodiments without prioritizing them.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |