DE10207671A1

DE10207671A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10207671A1
Application number: DE10207671A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schaedlich-Stubenrauch; Dieter Girlich; Carsten Kuehn
Original assignee: M Pore GmbH; GEA Management Gesellschaft fuer Waerme und Energietechnik mbH
Current assignee: Mpore 01277 Dresden De GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: DE10207671B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher. Hierbei ist vorgesehen, daß der Wärmeaustauscher aus offenporigen Metallschaum (1) und zumindest einem Wärmeverteiler (2) besteht, der an den Metallschaum (1) stoffschlüssig angebunden ist, wobei die dem Metallschaum (1) abgewandte Oberfläche des Wärmeverteilers (2) strukturiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers.
Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur auf ein Medium mit niedrigerer Temperatur übertragen, wobei sich das wärmere Medium abkühlt, während sich das kältere Medium erwärmt. In Abhängigkeit vom Anwendungszweck sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmetauschern bekannt.
Für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen Wärmetauscher Kühlkörper mit Rippenprofil und Bandwicklungen oder lamellenbesetzte Rohre auf. Der berührungslose Kontakt zwischen einem derartigen Kühlkörper und einem Medium wird über Rohre oder ähnliches hergestellt, die mit dem Kühlkörper mechanisch verbunden sind. Derartige Verbindungen, die durch Pressen, Kleben oder Fügen hergestellt wurden, haben den Nachteil, daß Luftspalte Barrieren für den Wärmefluß bilden und die mechanische Belastbarkeit gering ist. Überdies ist die Berührungsfläche für den Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und Rohr gering.
Zur Verbesserung des Wärmeaustausches wird in DE 101 23 456.2 ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der aus offenporigem Metallschaum besteht, dessen Zellen derart miteinander verbunden sind, daß ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann. An den offenporigen Metallschaum ist ein Bauelement stoffschlüssig angegossen. Das Bauelement kann als Platte ausgebildet sein, wobei die Platte selbst keine Poren aufweist, sondern als Vollmaterial gebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmetauscher vorzuschlagen. Insbesondere soll ein Wärmetauscher angegeben werden, der einen verbesserten Wärmeaustausch ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 12.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der aus offenporigem Metallschaum und zumindest einem Wärmeverteiler besteht, der an den Metallschaum stoffschlüssig angebunden ist, wobei die dem Metallschaum abgewandte Oberfläche des Wärmeverteilers strukturiert ist.
Der stoffschlüssig angebundene Wärmeverteiler stellt eine große Fläche für die Wärmeübertragung auf den offenporigen Metallschaum zur Verfügung, ohne die Wärmeübertragung zu beeinträchtigen. Die Strukturierung der Oberfläche des Wärmeverteilers, die dem Metallschaum abgewandt ist, führt zu einer Vergrößerung dieser Oberfläche des Wärmeverteilers, so daß Wärme effizienter in den Metallschaum geleitet wird. Durch die Strukturierung der Oberfläche vermindert sich außerdem das Gewicht des Wärmeverteilers und damit des Wärmetauschers insgesamt. Der Wärmetauscher ist überdies kompakter gestaltet.
Die geometrische Form des Wärmetauschers ist sehr variabel, der Metallschaum kann in einer für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten Form hergestellt werden. Der Wärmetauscher kann eine quader-, würfel-, rohrförmige oder kammartige Gestalt aufweisen. Der Wärmetauscher kann außerdem mehrere Segmente aufweisen.
Vorzugsweise ist die Oberfläche des Wärmeverteilers derart strukturiert, daß kanalförmige Strukturen auf der Oberfläche des Wärmeverteilers ausgebildet sind. Durch diese kanalartigen Strukturen kann beispielsweise ein flüssiges Medium geführt werden. In die kanalförmigen Strukturen auf der Oberfläche des Wärmetauschers können allerdings auch Rohre, beispielsweise durch Löten, Pressen oder Kleben eingebracht werden.
Zweckmäßigerweise ist der Wärmeverteiler als Platte oder Steg ausgebildet. Der Ausdruck "Steg" ist in diesem Zusammenhang als Element mit vergleichsweise kleiner Oberfläche zu verstehen, der nur einen geringen Teil der Metallschaumoberfläche bedeckt. Die Oberfläche eines solchen Steges kann beispielsweise eine Strukturierung in Form eines einzelnen Kanals aufweisen. Der Metallschaum weist zweckmäßigerweise mehrere solche Stege auf. Der Ausdruck "Platte" soll darauf hinweisen, daß der Wärmeverteiler einen größeren Teil der Oberfläche oder eine gesamte Außenfläche des Metallschaums bedeckt, wobei die Oberfläche des Wärmeverteilers kompliziertere Strukturen aufweisen kann. Der Wärmeverteiler kann aus mehreren Stegen, mehreren Platten oder einer Kombination aus einer oder mehreren Platten und einem oder mehreren Stegen bestehen.
Der Wärmeverteiler besteht zweckmäßiger aus Metall, das im wesentlichen porenfrei ist, d. h. aus sogenanntem "Vollmetall". Geeignete Metalle für diesen Zweck sind beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Stahl. Der Metallschaum sollte aus Aluminium gebildet sein. Die Strukturierung der Oberfläche des Verteilers kann durch mechanische oder ähnliche abrasive Bearbeitungsmethoden beispielsweise unter Verwendung eines Lasers vorgenommen werden.
Die Strukturierung in den Stegen und Platten kann in der geometrischen Gestaltung weit über die Möglichkeiten hinausgehen, die mit Rohren zu erzielen sind. Biegeradien stellen somit keine Beschränkung mehr dar. Die Verästelung der Struktur in der Oberfläche des Wärmeverteilers kann sehr fein und dreidimensional erfolgen. Eine noch feinere Strukturierung kann erreicht werden, indem in die bereits ausgebildeten Konturen Beschichtungen eingebracht werden. Die flächige Ausnutzung für den Wärmetausch kam dadurch optimiert werden.
Der Wärmeverteiler kann weiterhin mit einer Deckschicht verbunden sein, die die strukturierte Oberfläche des Wärmeverteilers überdeckt. Das Deckelement kann als einfache Platte ausgeführt sein. Alternativ kann die dem Wärmeverteiler zugewandete Oberfläche der Deckschicht eine zu der Strukturen in der Oberfläche des Wärmeverteilers spiegelbildliche Struktur aufweisen. Es ist allerdings auch möglich, daß die dem Wärmeverteiler zugewandete Oberfläche der Deckschicht eine feinere Struktur als der Wärmverteiler aufweist. Diese feinere Strukturierung kann innerhalb der im wesentlichen spiegelbildlich ausgeprägten Struktur der Deckschicht vorliegen.
Die Deckschicht besteht zweckmäßigerweise aus demselben Material wie der Wärmeverteiler. Die Verbindung der Deckschicht mit dem Wärmeverteiler kann beispielsweise durch Verlöten oder Verkleben hergestellt sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Wärmetauscher aus offenporigem Metallschaum mit zwei Wärmeverteilern;
Fig. 2 einen Wärmetauscher mit stärker strukturierter Wärmeverteileroberfläche;
Fig. 3 einen Wärmetauscher mit Strukturen in der Wärmeverteileroberfläche, in die Rohre eingebettet sind;
Fig. 4 einen Wärmetauscher mit einem plattenförmigen Wärmeverteiler, auf den eine plattenförmige Deckschicht aufgebracht ist;
Fig. 5 einen Wärmetauscher mit einem plattenförmigen Wärmeverteiler, auf den eine Deckschicht mit strukturierter Oberfläche aufgebracht ist; und
Fig. 6 einen Wärmetauscher mit segmentiertem Metallschaum.
Der in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscher besteht aus dem offenporigen Metallschaum 1, an den ein Wärmeverteiler 2 stoffschlüssig angegossen ist. Der Wärmeverteiler besteht aus einem Steg 2.2 und einer Platte 2.3. Steg 2.2 und Platte 2.3 weisen kanalartige Vertiefungen auf, die die Strukturierung 3 bilden.
Durch die Struktur 3 strömt ein geeignetes fluides Medium (Pfeile) im Gegenstromprinzip.
Der in Fig. 2 dargestellte Wärmetauscher weist eine komplexere Strukturierung 3 auf, die mäanderartig ausgeführt ist.
In Fig. 3 sind Rohre 5 gezeigt, die in die Strukturen in der Oberfläche des Wärmeverteilers 2 eingebettet sind. Die Rohre 5 werden von einem geeigneten fluides Medium (Pfeile) durchströmt.
Fig. 4 zeigt einen Wärmetauscher, dessen kanalartig strukturierte Wärmeverteileroberfläche von einer plattenförmigen, unstrukturierten Deckschicht 4 überdeckt ist.
Fig. 5 zeigt einen Wärmetauscher, dessen kanalartig strukturierte Wärmeverteileroberfläche von einer Deckschicht 4 überdeckt ist. Die Decksicht 4 weist eine Strukturierung 5 auf, die spiegelbildlich zu der Strukturierung 3 des Wärmeverteilers 2 an der dem Wärmeverteiler 2 zugewandten Oberfläche der Deckschicht 4 ausgebildet ist.
Fig. 6 zeigt einen Wärmeaustauscher mit segmentiertem Metallschaum 1. Der Metallschaum 1 wird von einem fluiden Medium A (Pfeil A) durchströmt, während ein anderes fluides Medium B (Pfeil B) durch die kanalartige Struktur 3 des Wärmverteilers 2 strömt. Ist Medium B das Medium mit der höheren Temperatur, wird dessen Wärme durch den Wärmeverteiler 3 in den Metallschaum 1 geleitet, wo sie von dem fluiden Medium A aufgenommen und aus dem Wärmetauscher ausgetragen wird. Das fluide Medium A kann beispielsweise von einem Lüfter (nicht gezeigt) bewegt werden.
Namentlich im Hinblick auf die Kühlung elektronischer Bauteile ist vorgesehen, daß ein Lüfter für eine erzwungene Konvektion in dem Metallschaum 1 eingebracht ist; diese umschlossene Bauweise ist gepaart mit einer nachhaltigen Geräuschdämmung.
Zudem kann die Oberfläche des Metallschaumes 1 mit Nanopartikeln beschichtet sein, um eine Oberflächenvergrößerung zu erreichen und/oder eine Verschmutzung des Metallschaumes infolge des Lotuseffektes zu vermeiden. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Metallschaum
2 Wärmeverteiler
2.1 Platte
2.2 Steg
3 Struktur bzw. Strukturierung des Wärmeverteilers
4 Deckschicht
5 Struktur bzw. Strukturierung der Deckschicht
A Fluid A
B Fluid B

Claims

1. Wärmetauscher, bestehend aus offenporigem Metallschaum (1) und zumindest einem Wärmeverteiler (2), der an den Metallschaum (1) stoffschlüssig angebunden ist, wobei die dem Metallschaum (1) abgewandte Oberfläche des Wärmeverteilers (2) strukturiert ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Wärmeverteilers (2) derart strukturiert ist, daß kanalförmige Strukturen (3) auf der Oberfläche des Wärmeverteilers (2) ausgebildet sind.

3. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die auf der Oberfläche des Wärmeverteilers (2) ausgebildeten Strukturen (3) Rohre (5) eingebracht sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (5) in die Strukturen (3) auf der Oberfläche des Wärmeverteilers (2) eingelötet, eingepreßt oder eingeklebt sind.

5. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteiler (2) als Platte (2.1) oder als Steg (2.2) ausgebildet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteiler (2) aus Vollmetall besteht.

7. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum (1) aus Aluminium besteht.

8. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteiler (2) aus Aluminium, Kupfer oder Stahl besteht.

9. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteiler (2) mit einer Deckschicht (4) verbunden ist.

10. Wärmetaucher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Wärmeverteiler (2) zugewandte Oberfläche der Deckschicht (4) eine zu der Strukturen (3) in der Oberfläche des Wärmeverteilers (2) spiegelbildliche Struktur (6) aufweist.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (4) eine feinere Strukturierung (6) als der Wärmeverteiler (2) aufweist.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (4) aus demselben Material wie der Wärmeverteiler (2) besteht.

13. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen (3, 6) in der Oberfläche des Wärmeverteilers (2) und/oder der Deckschicht (4) durch Beschichtungen verfeinert sind.

14. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum (1) einen Lüfter für eine erzwungene Konvektion umschließt.

15. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Metallschaumes (1) mit Nanopartikeln beschichtet ist.