DE10346423A1

DE10346423A1 - Modularer Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10346423A1
Application number: DE2003146423
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Girlich; Jürgen Dr. Schädlich-Stubenrauch; Carsten Kühn
Original assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Current assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: DE10346423B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen modularen Wärmetauscher, bestehend aus einem oder mehreren Wärmeverteilern (1), die von einer offenporigen Schaumstruktur (2) umgeben und mit dieser stoffschlüssig verbunden sind. Hierzu sind in die Schaumstruktur (2) nichtporöse, wärmeleitende Elemente (4; 5) als Leitflächen (4) und/oder Leitstäbe (5) eingelagert. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zeichnet sich im Vergleich zum Stand der Technik durch einen nachhaltig effizienteren - namentlich vervielfachten - Wärmefluß aus. Für einen möglichen Einsatz in hohen Temperaturbereichen besteht die offenporige Schaumstruktur ebenso wie die wärmeleitenden Elemente aus Aluminiumsiliciumcarbid.

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur an ein Medium niedrigerer Temperatur ableiten. Für eine effektive Wärmeableitung und Abgabe der Wärme an kühlere Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen die Kühlkörper der Wärmetauscher vielfach ein Rippenprofil auf. In Abhängigkeit von der bezweckten Anwendung sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmetauschern bekannt. Hierzu sind auch Wärmetauscher aus einer Schaumstruktur, insbesondere aus Metallschaum, seit längerem in vielfältiger Weise bekannt.

Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs wird in DE 101 23 456 A1 erstmals ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der aus offenporigem Metallschaum besteht, dessen Zellen derart miteinander verbunden sind, das ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann. An den offenporigen Metallschaum ist ein Bauelement stoffschlüssig angegossen. Der Wärmetauscher kann auch weitere, mit dem offenporigen Metallschaum stoffschlüssig in Verbindung stehende Bauelemente aufweisen, wobei die Bauelemente und der offenporige Metallschaum in einem Stück gegossen sind. Die Bauelemente können beispielsweise Rohre für fluide Medien, Trennwände, die den Metallschaum in Kammern unterteilen, oder Außenwände sein. Die Trenn- und Außenwände können plattenförmig ausgestaltet sein. Die Bauelemente selbst können auch strukturiert sein Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieses porenförmigen Wärmetauschers ist aus DE 102 07 671 C1 ersichtlich.

DE 37 32 653 A1 legt einen Heizkessel bzw. Warmwasserbereiter mit einem Wärmetauscher aus Keramik- oder Metallschaum offen; zudem ist in JP 111 90 595 A ein Wärmetauscher aus porösem Metall als Ummantelung eines Rohres beschrieben.

Die Patentanmeldung DE 103 36 657.1 beschreibt einen Wärmetauscher für den Einsatz in höheren Temperaturbereichen, wobei die offenporige Schaumstruktur aus Aluminiumsiliciumcarbid besteht.

Wärmetauscher sind des weiteren aus Metallschaum für elektronische Bauteile aus EP 0 559 092 A1 , US 61 96 307 B1 , DE 100 55 454 A1 , JP 71 618 84 A und JP 571 53 458 A bekannt. Eine Weiterentwicklung von Wärmetauschern wie nachfolgend beschrieben ist aus den oben angeführten Schriften und dem sonstig bekannten Stand der Technik nicht angeregt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiter zu entwickeln. Insbesondere sollen Wärmetauscher geschaffen werden, die aufgrund einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit und einem höheren Wärmefluß eine kleinere Dimensionierung erlauben und sich durch eine nachhaltig kürzere Reaktionszeit auf Temperaturschwankungen der Wärmequelle auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht gleichfalls aus einem oder mehreren Wärmeverteilern, die von einer offenporigen Schaumstruktur umgeben und mit dieser verbunden sind. Die Zellen, welche die Schaumstruktur bilden, sind untereinander vernetzt, sowie chaotisch geformt und strukturiert.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in die Schaumstruktur nichtporöse, wärmeleitende Elemente einzulagern, die als Leitflächen oder Leitstäbe ausgebildet sind. Hierzu ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Schaumstruktur aus mehreren, voneinander getrennten Segmenten zusammengesetzt, wobei die wärmeleitenden Elemente, die Leitflächen und/oder Leitstäbe, im Inneren der Segmente liegen oder die Leitflächen eine einseitige Bewandung der Segmente bilden. Die eingelagerten Leitflächen und/oder die Leitstäbe sind mit der Schaumstruktur und/oder den Wärmeverteilern festsitzend, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Als Fügetechnik kommt Galvanisieren, Löten, Schweißen oder ein Gießverfahren zur Anwendung, wobei die Schaumstruktur, die genannten wärmeleitenden Elemente und in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die Wärmeverteiler in einem Stück gegossen sind.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zeichnet sich im Vergleich zum Stand der Technik durch einen nachhaltig effizienteren, namentlich vervielfachten Wärmefluß aus. Überraschend wurde festgestellt, daß der Wärmefluß des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Vergleich zu bisherigen Wärmetauschern mit Schaumstruktur, jedoch ohne wärmeleitende Leitflächen und Leitstäbe, um den Faktor zwei bis fünf erhöht ist.

Die Schaumstruktur besteht üblicherweise aus Metallschaum, namentlich aus einer AlSi7-Legierung; dagegen besteht beim Einsatz in hohen Temperaturbereichen die Schaumstruktur, sowie die wärmeleitenden Leitflächenstäbe bevorzugt aus dem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff Aluminiumsiliciumcarbid; diese erfindungsgemäße Ausführungsform liefert im Hochtemperaturbereich die effektvollste Vervielfachung des Wärmeflusses im Vergleich zu bisherigen Ausführungen, beispielgebend nach DE 103 36 657.1 .

Der Vorteil des Wärmetauschers gemäß der Erfindung ist die effektivere Ableitung von Wärme. Temperaturschwankungen der Wärmequelle kann der Wärmetauscher aufgrund des erhöhten Wärmeflusses mit einer nachhaltig kürzeren Reaktionszeit begegnen, es kann somit besonders vorteilhaft zur Kühlung von temperatursensiblen Bauelementen oder Maschinenteilen verwendet werden. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher zudem bei gleichen Anforderungen gegenüber bisherigen Ausführungen kleiner und leichter ausgeführt sein, gerade unter diesem Aspekt bietet sich seine Anwendung insbesondere bei großtechnischen Anlagen der Nahrungsmittelindustrie und der chemisch-technischen Verfahrenstechnik an, zumal wenn das Problem steht, in großen Behältnissen (z. B. für die Bier- oder Joghurtherstellung) die Regelbarkeit und damit die Proßezsicherheit/-flexibilität zu unterstützen.

Die Erfindung erlaubt somit, in kompakter Bauweise effiziente Wärmetauscher herzustellen, die besser auf ihre jeweilige Anwendung hinsichtlich Materialauswahl und Geometrie angepaßt werden können.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen (1–4) näher erläutert.
1 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Wärmetauscher als Ummantelung eines Wärmeverteilers 1 in Form eines Rohres. Die Schaumstruktur 2 bildet eine zylindrische Ummantelung des rohrförmigen Wärmeverteilers 1. In radialer Richtung zum Wärmeverteiler 1 sind in die Schaumstruktur 2 kreisförmige Leitflächen 4 eingelagert, die mit der Schaumstruktur 2 und dem Wärmeverteiler 1 in einem Stück gegossen, und somit stoffschlüssig verbunden sind. Die Schaumstruktur 2 besteht aus Metall, namentlich einer AlSi7-Legierung, mit einer Porendichte von 25 ppi beginnend im Bereich des Wärmeverteilers 1, welche zum Rand des Wärmetauschers auf 20 ppi abnimmt. Ein Verfahren zur Herstellung der verwendeten Metallschäume ist in DE 199 39 155 offenbart.
2 offenbart der oberen Ausführung folgend die Ummantelung mit mehreren Segmenten. Die Ummantelung setzt sich aus mehreren voneinander getrennten zylindrische Segmenten 21 zusammen. In diese Segmente 21 ist jeweils ein scheibenförmiges Leitblech 4 eingelagert. Zur Trennung der einzelnen Segmente 21 sind entlang dem Wärmeverteiler 1, dem Rohr, zwischenliegende Scheiben aus Schaumstruktur 2 mit einem vergleichsweise kleinen Radius eingelagert.
Aus 3 abgeleitet von 2, ist ein Ausführungsbeispiel ersichtlich, bei dem die Segmente 21 einseitig mit einer kreisförmigen Leitfläche 4 bewandet sind. Die Schaumstruktur 2 und die Leitfläche 4 bestehen für einen Einsatz im hohen Temperaturbereich aus Aluminiumsiliciumcarbid. Die Schaumstruktur 2 weist eine Porendichte von 25 ppi auf. Die Leitfläche 4 und die Schaumstruktur 2 sind aus einem Stück gegossen und auf dem rohrförmigen Wärmeverteiler 1 kraftschlüssig befestigt. In einer weiteren Ausführungsform könnte zwischen dem Wärmeverteiler 1 und der Schaumstruktur 2 auch ein vergleichsweise dünner Ring liegen, der die Schaumstruktur trägt.
Die genannten Komponenten bilden in einer weiteren Ausführungsform – ohne Darstellung – einen Wärmetauscher im bekannten Gegenstromprinzip, insbesondere für großtechnische Anlagen. Analog sind hier die Leitflächen 4 in radialer Richtung der beiden rohrförmigen Wärmeverteiler 1 angeordnet.
Schließlich ist aus 4 ein Wärmetauscher ersichtlich, dessen Anwendung sich besonders für Maschinenteile oder temperatursensible elektronische Bauelemente anbietet. Auf der Deckfläche des quaderförmigen Wärmeverteilers 1 ist eine Schaumstruktur 2 angeordnet, die sich aus mehreren, voneinander getrennten zylinderförmigen Segmenten 21 zusammensetzt. Entlang der Achse der Segmente 21 ist als Leitstab 5 ein Zylinderstab aus Kupfer eingebracht; die Schaumstruktur, mit einer Porendichte von 40 ppi besteht aus ebenfalls aus Kupfer.

1: Wärmeverteiler
2: Offenporige Schaumstruktur
21: Segmente der Schaumstruktur
4: Leitfläche
5: Leitstäbe
6: durchströmendes Fluid

Claims

Modularer Wärmetauscher bestehend aus einem oder mehreren Wärmeverteilern (1), die von einer offenporigen Schaumstruktur (2) umgeben und mit dieser stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schaumstruktur 12) nichtporöse, wärmeleitende Elemente (4; 5) eingelagert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus mehreren voneinander getrennten Segmenten (21) zusammengesetzt ist, wobei die wärmeleitenden Elemente (4; 5) als Leitflächen (4) und/oder Leitstäbe 151 im Inneren der Segmente (21) liegen oder die Leitflächen (4) eine einseitige Bewandung der Segmente (21) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Leitflächen 14) und/oder Leitstäbe (5) mit der Schaumstruktur (2) und/oder den Wärmeverteilern (1) festsitzend verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Leitflächen (4) und/oder Leitstäbe (5) durch Galvanisieren, Löten, Schweißen mit der Schaumstruktur (2) stoffschlüssig verbunden oder mit dieser in einem Stück gegossen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Leitflächen (4) und/oder Leitstäbe (5) durch Galvanisieren, Löten, Schweißen mit den Wärmeverteilern (1) stoffschlüssig verbunden oder mit dieser in einem Stück gegossen sind.
Wärmetauscher nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteiler (1) platten-, rippen-, lamellen-, und/oder rohrförmig ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteiler (1) von einem Fluid (6) durchströmt sind.
Wärmetauscher nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (21) platten-, rippen-, oder lamellenförmig ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus Metallschaum besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus Aluminium oder einer Legierung des Grundstoffes Aluminium besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus einer AlSi7-Legierung besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus Siliciumcarbid besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) aus Aluminiumsiliciumcarbid besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) eine Porendichte von 10 bis 45 ppi aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (2) mit dem in DE 199 39 155 A1 beschrieben Verfahren hergestellt ist.