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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers mit zumindest einer Heizfläche und zumindest einer darauf stoffschlüssig befestigten Oberflächenvergrößerungsstruktur, welche zumindest aus einer Mehrzahl metallischer Fasern gebildet ist.
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Solche Wärmeübertrager können beispielsweise Teil einer Heatpipe, eines Verdampfers oder eines Sorbers sein. In anderen Ausführungsformen können Wärmeübertrager dieser Art dazu verwendet werden, ein im Inneren des Wärmeübertragers zirkulierendes Wärmeträgermedium zu kühlen oder zu erwärmen.
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Aus dem Stand der Technik sind Wärmeübertrager bekannt, welche fluidführende Rohre enthalten. In den fluidführenden Rohren strömt ein erstes Fluid, welchem Wärme zugeführt wird oder welches Wärme an die Umgebung abgeben soll. Dieses Fluid kann beispielsweise Teil eines Kühlkreislaufes einer Kraftmaschine oder eines industriellen Prozesses oder einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe sein. Dieses erste Fluids tauscht Wärme über die Rohrwandung mit einem außerhalb des Rohres vorbeiströmenden zweiten Fluid aus. Dadurch kann das erste Fluid erwärmt oder abgekühlt werden. Die mit dem zweiten Fluid in Kontakt kommende äußere Oberfläche des Rohres wird in der nachfolgenden Beschreibung „Heizfläche“ genannt, unabhängig von der Richtung des Wärmestromes. Um die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche der Heizfläche zu vergrößern und damit die Wärmeübertragung zu verbessern, werden auf die Rohrwandung Oberflächenvergrößerungsstrukturen aufgebracht. Diese können beispielsweise aus Blechen, Drähten oder Schäumen hergestellt sein.
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Aus der
DE 10 2014 208 955 A1 ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit Kanälen für wärmeaufnehmende Medien und Kanälen für wärmeabgebende Medien bekannt. Mindestens einer der Kanäle weist eine textile Struktur mit verdichteten und nicht-verdichteten Bereichen auf. Während die verdichteten Bereiche in den Übergangsbereichen zwischen den Kanälen zur Verbesserung des Wärmeübergangs an oder über die Kanalwand angeordnet sind, sind die nicht-verdichteten Bereiche in den Strömungsbereichen der Kanäle angeordnet. Dieser Aufbau ermöglicht einen großen Wärmeübergang an die Wärmeübertragungsfläche bei gleichzeitig guter Wärmeleitung von der Wärmeübertragungsfläche zur Trennfläche.
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Die
DE 103 02 475 B4 offenbart eine Vorrichtung, mittels welcher Formteile mit gleichmäßigen Eigenschaften hergestellt werden können. Hierzu wird vorgeschlagen, Material mit einem Fördermittel in ein Auffangmittel zu fördern, wobei zwischen dem Fördermittel und dem Auffangmittel mindestens ein Prallblech derart angeordnet ist, dass das mit dem Fördermittel transportierte Material durch Gravitation auf das Prallblech und von diesem in das Auffangmittel gelangt.
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Aus der
DE 197 12 625 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserformkörpers bekannt. Hierbei werden Fasern mittels einer Streuwalze auf eine bewegte Unterlage abgelegt und durch Sintern oder Binden verfestigt. Sofern metallische Fasern verwendet werden, weisen diese eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Gleichzeitig verbleibt zwischen den Fasern eine hinreichende Porosität, um ein gasförmiges zweites Wärmeträgerfluid durch den porösen Formkörper zu leiten und somit Wärme zu- oder abzuführen. Der aus Fasern aufgebaute Formkörper kann anschließend auf der Heizfläche gefügt werden, beispielsweise durch Löten.
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Dieser bekannte Wärmeübertrager weist den Nachteil auf, dass die Herstellung der Oberflächenvergrößerungsstruktur losgelöst von der Herstellung des Wärmeübertragers erfolgt. Sowohl die Herstellung der Faserstruktur als auch die Herstellung des Wärmeübertragers benötigen daher eine Wärmebehandlung zum stoffschlüssigen Fügen, welches beispielsweise durch Löten, Sintern oder Schweißen erfolgt. Wärmebehandlungen von Bauteilen sind jedoch energie- und zeitintensiv. Dadurch werden die Herstellungskosten in die Höhe getrieben und Emissionen erzeugt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers anzugeben, welches eine raschere, kostengünstigere und umweltschonendere Herstellung eines Wärmeübertragers ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Wärmeübertrager mit zumindest einer Heizfläche vorgeschlagen. Die Heizfläche kann beispielsweise die Außenfläche eines Rohres sein, in welchem ein erstes Fluid strömen kann. Das erste Fluid kann Wärme an die Rohrwandung und damit an die als Heizfläche verwendete Außenseite des Rohres abgeben. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann Wärme durch die Heizfläche dem im Inneren des Rohres strömenden ersten Fluid zugeführt werden.
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Der Querschnitt des Rohres kann polygonal oder rund sein. Insbesondere kann das Rohr einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen und beispielsweise Teil eines Wärmeübertragers Blockbauweise bzw. ein Flachrohr sein.
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Das im Inneren des Rohres strömende erste Fluid kann flüssig oder gasförmig oder fest sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Fluid einen Phasenwechsel durchlaufen und beispielsweise kondensierender Dampf sein. Sofern von der Heizfläche Wärme aufgenommen und an das Fluid abgegeben wird, kann das Fluid auch flüssig sein und im Inneren des Rohres des Wärmeübertragers verdampft werden. Ein flüssiges Fluid kann ausgewählt sein aus Öl oder Wasser. Ein festes Fluid kann beispielsweise ein Kugelfluid sein. Dieses kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine höhere Temperatur aufweisen als ein flüssiges Fluid.
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In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Heizfläche auch elektrisch oder thermoelektrisch geheizt oder gekühlt werden.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, auf der Heizfläche zumindest eine Oberflächenvergrößerungsstruktur stoffschlüssig zu befestigen. Die Befestigung der Oberflächenvergrößerungsstruktur kann beispielsweise durch Löten erfolgen, d.h. ein Teil der Heizfläche selbst und/oder ein Teil der Oberflächenvergrößerungsstruktur wird aufgeschmolzen, miteinander in Kontakt gebracht und durch Abkühlen wieder erstarrt, so dass beide Teile stoffschlüssig miteinander gefügt sind. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Zusatzstoff die Heizfläche und/oder die Oberflächenvergrößerungsstruktur zumindest teilweise bedecken und in einer Wärmebehandlung aufgeschmolzen werden, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Heizfläche und der Oberflächenvergrößerungsstruktur zu ermöglichen.
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Die Oberflächenvergrößerungsstruktur selbst kann aus einer Mehrzahl metallischer Fasern bzw. Drähte gebildet sein. Ein einzelner Draht bzw. eine einzelne Faser kann einen Durchmesser zwischen etwa 30 µm und etwa 300 µm oder zwischen etwa 50 µm und etwa 150 µm oder zwischen etwa 30 µm und etwa 80 µm aufweisen. Die Länge einzelner Fasern kann zwischen etwa 2 mm und etwa 20 mm oder zwischen etwa 3 mm und 15 mm betragen. Die einzelnen Fasern können in etwa parallel zueinander ausgerichtet sein, um auf diese Weise eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit zu realisieren, d.h. die Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Fasern ist größer als orthogonal dazu. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Oberflächenvergrößerungsstruktur als Wirrfaser ausgeführt sein, d.h. die einzelnen Fasern sind statistisch in allen Raumrichtungen orientiert. Die einzelnen Fasern können geradlinig verlaufen oder geknickt bzw. gewellt sein.
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Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind auch die metallischen Fasern zumindest teilweise, d.h. an einigen Berührungspunkten, stoffschlüssig miteinander verbunden. Auch diese Verbindung kann durch Löten oder Sintern erfolgen. Neben der Erhöhung der mechanischen Stabilität erlaubt dies auch den Wärmeübergang zwischen einzelnen Fasern, so dass die Wärmeleifähigkeit innerhalb der Oberflächenvergrößerungsstruktur vergrößert sein kann.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Mehrzahl metallischer Fasern und die Heizfläche in einem einzigen Arbeitsgang zumindest teilweise miteinander zu fügen. Hierdurch kann eine weitere Wärmebehandlung mit den daraus resultierenden Nachteilen langer Prozessdauern und hohen Energieeinsatzes vermieden werden. Anders als bei bekannten Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers wird somit nicht zunächst eine Oberflächenvergrößerungsstruktur hergestellt, welche nachfolgend auf der Heizfläche befestigt wird. Vielmehr wird die Oberflächenvergrößerungsstruktur in der Rohform fertiggestellt und dann in einem Arbeitsgang durch Fügen der einzelnen Fasern untereinander verfestigt und gleichzeitig an die Heizfläche gefügt.
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Die metallischen Fasern können in einigen Ausführungsformen der Erfindung aus einem Metall oder einer Legierung bestehen oder enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern Aluminium und/oder Kuper und/oder Zinn und/oder Blei und/oder Silber enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können Fasern aus zumindest zwei unterschiedlichen metallischen Werkstoffen unterschiedlicher Schmelztemperatur verarbeitet werden. Auf diese Weise können einerseits metallische Fasern bereitgestellt werden, welche dem Wärmetransport vom bzw. zur Heizfläche dienen und andererseits metallische Fasern mit niedrigerem Schmelzpunkt vorhanden sein, welche bei der Wärmebehandlung die Fasern zumindest teilweise miteinander verlöten und so stoffschlüssig fügen. I
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mehrzahl metallischer Fasern durch Flüssigphasensintern und/oder Löten miteinander gefügt werden. Dies kann die mechanische Stabilität und/oder die Wärmeleitfähigkeit der Oberflächenvergrößerungsstruktur verbessern. Beim Löten wird der metallische Grundwerkstoff der Fasern selbst nicht aufgeschmolzen, sondern ein in die Fügestelle eingebrachtes Lot, so dass sich benachbarte Fasern an Berührpunkten miteinander stoffschlüssig verbinden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mehrzahl metallischer Fasern durch Löten mit der Heizfläche gefügt werden. Hierzu kann die Heizfläche mit einem Lot versehen werden, ehe diese in Kontakt mit den die Oberflächenvergrößerungsstruktur bildenden Fasern gebracht wird. Bei der Wärmebehandlung der Fasern und der Heizfläche wird somit das Lot oder das Material der Fasern und/oder der Heizfläche selbst an der Heizfläche aufgeschmolzen, so dass sich die Fasern zumindest teilweise stoffschlüssig mit der Heizfläche verbinden.
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Erfindungsgemäß kann die Mehrzahl metallischer Fasern vor dem Fügen in eine Form eingebracht und durch einen Pressstempel verdichtet werden. Dies führt dazu, dass die einzelnen metallischen Fasern zu einem Vlies bzw. einer Matte verdichtet werden, welche mechanisch so robust ist, dass diese leicht handhabbar ist und beispielsweise nach dem Entnehmen aus der Form auf der Heizfläche in gewünschter Lage positioniert werden kann. Nach der gemeinsamen Wärmebehandlung von Heizfläche und Oberflächenvergrößerungsstruktur nehmen dann durch die Verbindung der Fasern untereinander und mit der Heizfläche die mechanische Stabilität und/oder die Wärmeleitfähigkeit weiter zu.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch die Heizfläche in die Form eingebracht und mit metallischen Fasern überdeckt werden. Dies erlaubt ein einfaches Positionieren der metallischen Fasern auf der Heizfläche vor der Wärmebehandlung zur Fertigstellung des Wärmeübertragers.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich zur Heizfläche auch weitere Bestandteile des Wärmetauschers, beispielsweise Zu- oder Abfuhrleitungen und/oder Sammler positioniert und bei der Wärmebehandlung in einem Arbeitsgang gefügt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auf die Heizfläche eine Lotpaste aufgebracht werden, welche Flussmittel und Lot in Form eines Metalles oder einer Legierung enthält. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Streichen oder Rakeln oder durch Siebdruck erfolgen, so dass die Heizfläche homogen mit einer Lotpaste zum Fügen der Oberflächenvergrößerungsstruktur versehen ist.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Heizfläche zumindest teilweise durch lotplattiertes Blech gebildet werden, so dass die Heizfläche weitgehend homogen mit Lot zum Fügen der Oberflächenvergrößerungsstruktur versehen ist.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schmelztemperatur des Lotes zwischen etwa 5 K und etwa 100 K unter der Schmelztemperatur der Fasern liegen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann während der Wärmebehandlung der Fasern der Anteil der Schmelze bei etwa 10% bis etwa 30% der Gesamtmasse der Fasern liegen. Dies stellt eine sichere Verbindung zwischen der Oberflächenvergrößerungsstruktur und der Heizfläche sicher, ohne dass die Oberflächenvergrößerungsstruktur zu stark aufgeschmolzen und dadurch in unerwünschter Weise verdichtet wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern und/oder die Heizfläche eine eutektische Legierung enthalten oder daraus bestehen. Dies erlaubt die Verbindung durch Flüssigphasensintern ohne weitere Zusatzstoffe.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern durch Strehlen und/oder Schmelzextraktion und/oder Bündelziehen und/oder Abscheren von Folie erhalten werden. Die Fasern können auf diese Weise aus einem gewünschten Metall oder einer Legierung in einfacher Weise und mit gewünschten Querschnitt produziert werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern durch Abschneiden von Drahtstücken von einer Rolle erhalten werden. Dies erlaubt einen besonders gleichmäßigen Querschnitt einzelner Fasern und eine genau vorgebbare Querschnittsverteilung der Fasern innerhalb der Oberflächenvergrößerungsstruktur.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern als Kurzfasern durch Siebschüttung in die Form eingebracht werden. Hierdurch bilden sich Wirrfasern innerhalb der Oberflächenvergrößerungsstruktur, welche eine weitgehend homogene Wärmeleitfähigkeit in beiden Raumrichtungen ermöglicht.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern als Langfasern mit definierter Ausrichtung in die Form eingebracht werden. Hierdurch kann die Wärmeleitfähigkeit der Oberflächenvergrößerungsstruktur anisotrop gestaltet werden, so dass der Wärmefluss in eine gewünschte Richtung verläuft.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern vor dem Fügen durch Walzen verdichtet werden. Das Walzen kann bevorzugt nach dem Ausformen erfolgen, sofern eine Form verwendet wird. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern auf eine bewegte Oberfläche abgelegt und nachfolgend einer Walze bzw. einer Walzstraße zugeführt werden. Hierdurch verhaken sich einzelne Fasern untereinander, so dass die mechanische Stabilität des Halbzeuges zur Herstellung der Oberflächenvergrößerungsstruktur soweit zunimmt dass eine einfache Handhabbarkeit bis zur Wärmebehandlung ermöglicht wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Fügen in einem Ofen oder einem Wärmeschrank erfolgen. In diesem Fall wird der Wärmetauscher bzw. zumindest die Heizfläche mit den darauf angeordneten Fasern, welche später die Oberflächenvergrößerungsstruktur bilden, in den Ofen eingelegt und erwärmt, so dass die Fasern selbst oder ein Lot aufschmilzt und den gewünschten Stoffschluss herstellt. Das Erwärmen im Ofen kann in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen um die unerwünschte Umsetzung der Oberflächenvergrößerungsstruktur bzw. der Fasern mit der umgebenden Atmosphäre zu vermeiden. Das Schutzgas kann beispielsweise ein Inertgas sein, wie beispielsweise ein Edelgas oder Stickstoff. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann im Ofen eine reduzierende Atmosphäre herrschen, beispielsweise eine Wasserstoffatmosphäre.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Fügen durch Erwärmen der Form und/oder des Pressstempels erfolgen. Dies erlaubt eine besonders einfache und schnelle Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, da nach dem Einbringen und Vorverdichten der Fasern die Wärmebehandlung des mechanisch noch empfindlichen Halbzeuges unmittelbar in der Form erfolgt, so dass eine versehentliche Zerstörung des Halbzeuges durch mechanische Belastung vermieden wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Füllung der Form mit Fasern durch Messen der Füllhöhe und/oder des Gewichtes erfolgen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine Oberflächenvergrößerungsstruktur mit genau definiertem Querschnitt und definierter Porosität entsteht, so dass die Wärmeleitfähigkeit und der Strömungswiderstand für das außerhalb der Heizfläche strömende zweite Fluid vorab definierte Sollwerte erreichen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern in mehreren Lagen in die Form eingebracht werden, welche jeweils mit dem Pressstempel verdichtet werden. Dies ermöglicht eine bessere Vorverdichtung einzelner Faserlagen, so dass das Halbzeug mechanisch robuster hergestellt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können einzelne Faserlagen mit unterschiedlichem Aufbau Verwendung finden, beispielsweise mit unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zunächst einige Lagen der Fasern in die Form eingebracht und verdichtet werden. Daraufhin kann die zumindest eine Heizfläche in die Form eingelegt werden, welche nachfolgend erneut mit mehreren Lagen Fasern überdeckt und verdichtet wird. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr gute Einbettung der Heizfläche in die Oberflächenvergrößerungsstruktur.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zunächst einige Lagen der Fasern in die Form eingebracht und verdichtet werden. Daraufhin kann zumindest ein Formelement in die Form eingelegt werden, welches nachfolgend erneut mit mehreren Lagen Fasern überdeckt und verdichtet wird. Danach kann das zumindest eine Formelement entfernt werden und dadurch einen zusätzlichen Strömungskanal im Formkörper ausbilden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Form eine Kavität aufweisen, welche in Form und/oder Größe der Oberflächenvergrößerungsstruktur entspricht. Dies ermöglicht es, die Oberflächenvergrößerungsstruktur nach dem Ausformen unmittelbar auf die Heizfläche aufzubringen und der Wärmebehandlung zu unterziehen. Ein zusätzlicher Verfahrensschritt zum Zuschnitt oder zum Umformen der Oberflächenvergrößerungsstruktur bzw. deren Halbzeug ist hierfür nicht mehr erforderlich.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
- 1 einen ersten Herstellungsschritt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
- 2 zeigt einen zweiten Herstellungsschritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
- 3 zeigt die Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Form.
- 4 illustriert einen dritten Herstellungsschritt zur Herstellung eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt einen vierten Herstellungsschritt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
- 6 zeigt den Querschnitt durch einen Wärmeübertrager gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 7 erläutert anhand eines Flussdiagrammes eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 8 erläutert anhand eines Flussdiagrammes eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Anhand der 1 bis 6 werden unterschiedliche Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erläutert. Die beschriebenen Herstellungsschritte können in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung in unterschiedlicher Reihenfolge durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können einzelne Herstellungsschritte auch entfallen oder in anderer als der hier dargestellten Art und Weise durchgeführt werden.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Verfahrensschritt wird eine Form 1 verwendet, in welche eine Kavität 10 eingebracht ist. Die Form 1 kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung oder einem Kunststoff gefertigt sein. Die Kavität 10 hat einen Querschnitt, welcher im Wesentlichen der gewünschten Querschnittsform der Oberflächenvergrößerungsstruktur entspricht. Jedoch kann die Kavität 10 etwas tiefer ausgearbeitet sein, als die spätere Höhe der Oberflächenvergrößerungsstruktur, um einerseits eine Führung des Pressstempels zu ermöglichen und andererseits zu vermeiden, dass Fasern beim Einfüllen aus der Kavität 10 herausfallen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kavität 10 eine in etwa rechteckige Querschnittsform auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Querschnitt auch andere polygonale Formen oder auch eine runde Form oder eine Freiflächenform aufweisen.
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3 zeigt eine Aufsicht auf die Form 1. Daraus ist ersichtlich, dass die Form 1 eine im Wesentlichen rechteckige Grundform aufweist und die Kavität 10 sich in Form eines Mäanders über die Grundfläche der Form 1 erstreckt. Die dargestellte Form mit vier Mäandern ist dabei lediglich als beispielhaft zu sehen. Selbstverständlich kann die Kavität 10 auch andere Grundfläche aufweisen, wenn der herzustellende Wärmeübertrager eine andere Form und Größe aufweist.
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Wie 1 weiter zeigt, wird in die Kavität 10 eine Faserschüttung aus einzelnen Fasern 2 eingebracht. Die Fasern 2 können ein Metall oder eine Legierung enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können unterschiedliche Fasern 2 verwendet werden, beispielsweise mit verschiedenen Schmelzpunkten, um beim Fügen der Fasern das vollständige Aufschmelzen der Faserschüttung und daraus resultierend eine zu starke Verdichtung der Oberflächenvergrößerungsstruktur zu vermeiden.
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Die Fasern 2 werden über eine Siebtrommel 3 in die Kavität 10 eingebracht. Dabei kommt es zu einer statistischen Orientierung der Fasern 2, welche somit als Wirrfasern in der Kavität 10 angeordnet werden.
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Die Füllung der Kavität 10 kann entweder über die Messung des Gewichtes oder der Füllhöhe kontrolliert werden. Vorschub, Geschwindigkeit und Faserzufuhr in die Siebtrommel 3 können über eine nicht dargestellte Steuer- oder Regeleinrichtung in an sich bekannter Weise kontrolliert werden.
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2 zeigt einen weiteren Herstellungsschritt des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers. Wie in 2 ersichtlich ist, wird ein Pressstempel 4 in die Kavität 10 eingeführt und mit einer vorgebbaren Kraft beaufschlagt. Der Pressstempel kann eine geringere Längsausdehnung als die Kavität 10 haben und nach Pressen eines Teils der Faserschüttung entlang der Längserstreckung der Kavität vorwärtsbewegt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Pressstempel 4 die in 3 ersichtliche Form der Kavität aufweisen und in dieser Weise eine einzelne Lage 25 von Fasern 2 entlang der gesamten Länge der Kavität 10 gleichzeitig verdichten. Hierzu kann der Pressstempel 4 durch eine Gewichtskraft oder eine Hydraulik mit einer vorgebbaren Anpresskraft beaufschlagt werden oder ein nicht dargestelltes Anschlagelement aufweisen.
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Die Krafteinwirkung durch den Pressstempel 4 führt zum Verdichten der Fasern 2 zu einer Lage 25, in welcher die Fasern 2 untereinander verhakt sind, so dass sich ein mechanisch vergleichsweise robustes Halbzeug ergibt.
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In 4 wird gezeigt, wie die Lage 25 der Fasern 2 durch Umdrehen der Form 1 aus der Kavität 10 ausgeformt werden kann. Da die Fasern durch das vorangegangene Pressen mit dem Pressstempel 4 miteinander verbunden und verdichtet sind, entsteht ein vergleichsweise stabiler Formkörper, welcher zwar möglicherweise nicht den Betrieb des Wärmeübertragers auftretenden mechanischen Belastungen aufnehmen kann, jedoch bereits so stabil ist, dass dieser die weiteren Herstellungsschritte bis zur endgültigen Fertigstellung des Wärmeübertragers schadlos übersteht. Alternativ kann das Ausformen auch über bewegliche Formelemente erfolgen.
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Um das Ausformen der Lagen 25 der Fasern 2 zu ermöglichen oder zu erleichtern, kann die Kavität 10 mit Formschrägen ausgestattet sein.
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4 zeigt optionale weitere Verfahrensschritte zur Herstellung eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung. In 5 sind zwei Walzen 6a und 6b vorgesehen, welche zum weiteren Verdichten der Lagen 25 der Fasern 2 eingesetzt werden können. Überraschenderweise wurde erkannt, dass das nachträglich Walzen der Lagen 25 außerhalb der Form 1 überwiegend die Höhe der Lagen 25 beeinflusst und die Breite der Lagen 25 nahezu unbeeinflusst bleibt. Hierdurch kann die Porosität der Lagen 25 weiter verringert und die mechanische Stabilität weiter erhöht werden.
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Weiterhin zeigt 4 wie ein Rohr, dessen Außenseite eine Heizfläche 5 bildet, zwischen zwei Lagen 25a und 25b der Fasern 2 eingebettet werden kann. Optional können die Walzen 6a und 6b auch dazu eingesetzt werden, dass Rohr mit der Heizfläche 5 in die zwei Lagen 25a und 25b der Fasern 2 einzubetten. Optional kann vorher ein Lot, beispielsweise in Form einer Lotpaste, auf die Heizfläche 5 aufgetragen werden.
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6 zeigt einen Querschnitt durch eine Wärmeübertrager 8 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fasern 2 der Lagen 25 haben eine dem Lot ähnliche Zusammensetzung mit einer ähnlichen Schmelztemperatur. Bei der nachfolgenden Wärmebehandlung werden Temperaturen erreicht, die zum vollständigen Schmelzen des Lotes führen. Die Zusammensetzung der Fasern 2 ist jedoch so gewählt, dass bei der gleichen Temperatur nur ein Teil der Faser schmilzt. Hierdurch entstehen an Kontaktstellen 20 stoffschlüssige Verbindungen zwischen einzelnen Fasern 2. Die Fasern verbinden sich somit zu einer mechanisch robusten und gleichwohl strömungsdurchlässigen Oberflächenvergrößerungsstruktur 55. Gleichzeitig ist die Oberflächenvergrößerungsstruktur 55 mit stoffschlüssiger Verbindung 50 an der Heizfläche 5 befestigt, so dass einerseits eine gute mechanische Verbindung zwischen der Heizfläche 5 und der Oberflächenvergrößerungsstruktur 55 vorliegt, welche auch einen guten Wärmeübergang von der Heizfläche 5 in die Oberflächenvergrößerungsstruktur 55 ermöglicht.
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Anhand von 7 wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens näher erläutert. Im Verfahrensschritt 71 erfolgt das Bereitstellen einer Form wie anhand von 1 bereits erläutert wurde.
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Im zweiten Verfahrensschritt 72 wird diese Form mit Fasern 2 gefüllt, beispielsweise wie in 1 erläutert.
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Im dritten Verfahrensschritt 73 erfolgt das Verdichten der eingefüllten Fasern 2 zu einer Lage 25 mittels eines Pressstempels 4. Die Verfahrensschritte 72 und 73 können sodann zyklisch wiederholt werden bis die Lagen 25 eine vorgebbare Dicke erreicht haben. Diese kann entweder über die Füllhöhe oder das Gewicht der eingefüllten Fasern bestimmt werden.
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Im vierten Verfahrensschritt 74 wird ein Rohr in die Form eingelegt, welches in der Form der Kavität 10 gebogen wurde. Die Außenfläche dieses Rohres bildet die Heizfläche 5.
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Im fünften Verfahrensschritt 75 erfolgt wiederum das Füllen der Kavität mit Fasern 2, wie in 1 erläutert wurde.
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Auch daran schließt sich als sechster Verfahrensschritt 76 eine Verdichtung an, beispielsweise durch einen Pressstempel 4. Hierdurch wird nach der Herstellung der unteren Lagen auch auf der Oberseite des Rohres zumindest eine Lage 25 von Fasern erzeugt. Auch die Verfahrensschritte 75 und 76 können zyklisch mehrfach wiederholt werden, um eine vorgebbare Anzahl von Faserlagen bzw. eine Lage vorgebbarer Dicke zu erzeugen. Nach Abschuss des letzten Verfahrensschrittes 76 ist das Rohr mit der Heizfläche 5 vollständig in Fasern 2 eingebettet.
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Im siebten Verfahrensschritt 77 werden die Faserlagen mit dem Rohr bzw. der Heizfläche 5 ausgeformt und zu einem Ofen oder Wärmeschrank verbracht.
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Daran schließt sich der achte Verfahrensschritt 78 an, in welchem sowohl die Fasern 2 zumindest teilweise miteinander als auch zumindest teilweise mit der Heizfläche 5 stoffschlüssig gefügt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmebehandlung auch innerhalb der Form 1 erfolgen. In diesem Fall werden die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte 77 und 78 in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt.
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Anhand von 8 wird eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Auch die zweite Ausführungsform des Verfahrens beginnt mit dem Bereitstellen einer Form 1 im ersten Verfahrensschritt 71. Die Form 1 weist zumindest eine Kavität 10 auf, welche in Querschnitt und Grundriss der Form der gewünschten Oberflächenvergrößerungsstrukturs 55 entspricht.
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In die Kavität 10 der Form 1 wird im zweiten Verfahrensschritt 72 eine Mehrzahl von Fasern 2 eingebracht. Die Fasern 2 können optional im dritten Verfahrensschritt 73 verdichtet werden, beispielsweise durch einen Pressstempel. Die Verfahrensschritte 72 und 73 können zyklisch wiederholt werden, bis die gewünschte Menge an Fasern 2 in die Kavität 10 eingebracht ist.
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Sodann erfolgt im vierten Verfahrensschritt 77 das Ausformen der Fasern wie anhand von 4 bereits erläutert wurde. Daran kann sich ein optionaler fünfter Verfahrensschritt 79 anschließen, in welchem die Lage 25 der Fasern 2 durch Walzen oder Pressen weiter verdichtet und damit in der mechanischen Festigkeit weiter verbessert wird.
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Im sechsten Verfahrensschritt 74 wird die so vorbereitete Faserlage mit der Heizfläche 5 in Kontakt gebracht. Die Heizfläche 5 kann auf die Faserlage aufgelegt werden, beispielsweise wenn es sich bei der Heizfläche 5 um die Außenfläche eines Plattenwärmetauschers handelt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Faserlage 25 auch ein Übermaß aufweisen, welches es erlaubt, die Heizfläche 5 in die Faserlage einzuschlagen oder die Faserlage 25 auf die Heizfläche aufzuwickeln. Auch in diesem Fall kann die Heizfläche 5 optional mit einem Lot versehen sein.
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Im siebten Verfahrensschritt 78 erfolgt wieder eine Wärmebehandlung, beispielsweise in einem Ofen oder in einem Wärmeschrank. Die Wärmebehandlung kann im Vakuum oder unter Schutzgas erfolgen, um ein unerwünschtes Oxidieren der Wärmeübertragungsstruktur 55 zu vermeiden.
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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“ Aus-führungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
