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Die
Erfindung betrifft einen Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen
von Fluiden, wobei der Behälter eine Außengesamtfläche
und eine Innengesamtfläche umfasst und derart ausgestaltet
ist, dass wenigstens in einen Bereich der Außengesamtfläche mit
einer Wärmequelle Wärmeenergie zum Erwärmen
eines im Behälter aufgenommenen Fluids eintragbar ist.
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Behälter
zum Aufnehmen und Erwärmen von Flüssigkeiten sind
hinlänglich bekannt, wobei insbesondere Kochtöpfe
typische Beispiele für solche Verwendungszwecke sind. Derartige
Behälter sind dafür ausgelegt, Fluide aufzunehmen
und das darin befindliche Fluid durch ein Erwärmen zu beeinflussen.
Zu diesem Zweck wird zumindest eine Fläche oder ein Flächenbereich
des Behälters einer Wärmequelle ausgesetzt, wobei
die von der Wärmequelle erzeugte Wärme über
Konvektion in der Behälterwand an das im Behälter
befindliche Medium abgegeben wird.
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Um
den von der Wärmequelle aufgebrachten Energieaufwand je
Zeiteinheit zu minimieren, muss die Wärmeenergie möglichst
verlustfrei in das Fluid transportiert werden. Dabei ist ein optimaler
Wärmetransport durchführbar, wenn die in Kontakt
mit dem Fluid stehende erwärmte Oberfläche möglichst
groß ist.
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Eine
bekannte Maßnahme zur Vergrößerung der
Oberfläche ist zum Beispiel die Anordnung einer Heizspirale
direkt im zu erwärmenden Fluid.
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Des
Weiteren offenbart die
DE
197 57 526C1 Oberflächenbehandlungen zur Herstellung
von Grundflächen mit einer vergrößerten
Gesamt-Oberfläche zur verbesserten Wärmeübertragung,
wobei mit den Oberflächenbearbeitungen eine sehr rauhe Oberfläche
hergestellt wird. Die Dicke der mechanisch erzeugten Vorsprünge
bzw. Rippen ist dabei etwa 0,1 mm.
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Das
Maß der Vergrößerung der Oberfläche durch
die Aufrauhung bewirkt bereits eine Effizienzsteigerung bei der
Erwärmung eines Fluides, jedoch ist ein noch weiter verbesserter
Wärmetransport wünschenswert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Behälter zum
Aufnehmen und Erwärmen von Fluiden zur Verfügung
zu stellen, mit den eine effiziente Erwärmung eines darin
eingebrachten Fluids realisierbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch
1 bezeichneten Behälter zur Aufnahme und Erwärmung
von Fluiden gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in
den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
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Es
wird ein Behälter zum Aufnehmen und Erwärmen von
Fluiden zur Verfügung gestellt, der eine Außengesamtfläche
und eine Innengesamtfläche aufweist mit dem wenigstens
in einem Bereich der Außengesamtfläche mit einer
Wärmequelle Wärmeenergie zur Erwärmung
eines im Behälter aufnehmbaren Fluids eingetragen wird.
Erfindungsgemäß weist mindesten ein Bereich der
Innengesamtfläche eine Mikrostruktur zur relativen Vergrößerung
der Oberfläche dieses Bereiches auf.
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Die
Vergrößerung der Oberfläche dient der Erhöhung
der Effizienz des Wärmeübergangs in das im Behälter
befindliche Fluid. Die Wärmequelle kann dabei ein erhitztes
Medium sein, das mit dem der Behälter unmittelbar in Berührung
gebracht wird, oder auch die Flamme eines Brenners. Ebenfalls kann
die Temperatur im Behälter beziehungsweise in einer seiner
Wände oder Abschnitte davon auch mittels induktiver Erwärmung,
Widerstandserwärmung oder mittels Strahlung aus einer Heizeinrichtung
erzeugt werden.
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Die
Mikrostruktur besteht im Wesentlichen aus einer Vielzahl von Vorsprüngen,
die auf einer Grundfläche der Behälterinnenwand
angeordnet sind.
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Die
Vorsprünge sollten eine Mindesthöhe von 8 μm
haben, mit der bereits eine effiziente Wärmeübertragung
erzeugt werden kann. Ab 10 μm lassen sich die Vorsprünge
wirtschaftlich fertigen und sichern einen bemerkenswerten, thermischen
Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung. Die maximale Höhe
der Vorsprünge von 195 μm soll insbesondere aus
fertigungstechnischer Sicht nicht überschritten werden.
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Neben
der effizienten Energieübertragung ist auch eine erhebliche
Blasenbildung (zum Zweck des Wärmetransportes in der erwärmten
Flüssigkeit) zu verzeichnen.
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Optimale
Ergebnisse eines Wärmetransportes lassen sich z. B. ab
einer Anzahl von wenigstens 100 Vorsprüngen je Quadratzentimeter
erreichen.
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Die
Mikrostrukturen sind vorteilhaft geordnet auf der Grundfläche
vorhanden, damit der Wärmeeintrag über die gesamte
mit Mikrostruktur ausgerüstete Fläche gezielt
steuer- und regelbar ist.
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Die
Vorsprünge der Mikrostruktur weisen im Wesentlichen eine
Stiftform auf und erstrecken sich senkrecht zur Grundfläche
oder auch in einem Winkel von 30 bis 90 Grad zur Grundfläche.
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Die
Stiftform kann insbesondere auf dem der Grundfläche gegenüberliegenden
Ende in der Form variabel ausgestaltet sein. So können
die Vorsprünge an den oberen Enden Kegel- oder Kugelsegmente aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße vorgeshene Anordnung der Mikrostruktur
sollte derart erfolgen, dass zwischen den Vorsprüngen Abstände
bestehen, das heißt, dass jeder Vorsprung mit einem benachbarten Vorsprung
lediglich über die Grundfläche verbunden ist.
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Dabei
soll nicht ausgeschlossen sein, dass sich einige wenige Vorsprünge
auf Grund von Fertigungstoleranzen bedingten unterschiedlichen Neigungen
an ihren Enden berühren.
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Die
Abstände zwischen den Vorsprüngen sollten zwischen
0,6 μm und 1000 μm liegen. Dabei ist der Bereich
von 0,6 μm bis 10 um insbesondere bei Fluiden mit geringer
Viskosität vorteilhaft. Die Wahl des Abstandes zwischen
den Vorsprüngen hängt neben der Wärmeleitfähigkeit
und der Oberflächenspannung des zu erwärmenden
Fluids außerdem vom beabsichtigen technischen Aufwand für das
Fertigungsverfahren ab.
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Ebenfalls
ist es aus den selben Gründen günstig, wenn die
Vorsprünge auf wenigstens einem Grundflächenbereich
eine gleiche Länge aufweisen.
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Mit
der Mikrostruktur wird durch eine relative Vergrößerung
der Gesamt-Oberfläche ein verbesserter, thermischer Wirkungsgrad
bei der Einbringung von Wärmeenergie in das zu erwärmende
Medium realisiert.
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Es
ist erfindungsgemäß weiterhin bevorzugt vorgesehen,
dass der mit der Mikrostruktur versehene Bereich der Innengesamtfläche
sich zumindest teilweise mit dem Bereich des Behälters überdeckt,
in den mittels der Wärmequelle Wärme in den Behälter eingetragen
wird und der mit dem Fluid bedeckt ist.
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Zur
Realisierung eines verbesserten Energietransportes sollte dabei
der mit der Mikrostruktur versehene Bereich größer
sein als der Bereich des Wärmeeintrages.
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Zur
weiteren Verbesserung des Wärmetransports sollte der Behälter
wenigstens im Bereich des Wärmeeintrages ein Material mit
einem Wärmeleitwert von wenigstens 15 W/(mK) aufweisen.
Die Mikrostruktur auf der Oberfläche des wärmeleitfähigen
Materials sollte dabei ebenfalls aus dem gleichen oder zumindest
einem ähnlich wärmeleitfähigen Material
sein Derartige Materialien sind beschichtete Stähle, Kupfer
und die meisten Kupferlegierungen.
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Eine
Ausführungsform der Erfindung mit verringertem Fertigungsaufwand
in Bezug zum energetischen Effekt ist ein Behälter, dessen
Innenfläche vollständig mit der Mikrostruktur
versehen ist. Dabei ist die gesamte innere Fläche des Behälters
mit Mikrostrukturen ausgerüstet, dadurch steht somit das gesamte
zu erwärmenden Fluid in Kontakt mit der inneren Oberfläche
des Behälters.
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In
einer weiteren und alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist
die Wärmequelle in einer Wand des Behälters integriert
angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die
Wärmequelle ein integraler Bestandteil des Behälters.
Das bedeutet, dass Wärmeverluste weitestgehend ausgeschaltet
werden.
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Zur
Verwendung eines allgemein verwendbaren Behälters ist vorgesehen,
dass dieser Behälter im Wesentlichen die Form eines Topfes
aufweist. Dabei hat der Behälter eine flache Grundfläche
und eine zylinderische Außenwand.
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In
der Grundfläche kann erfindungsgemäß die
Wärmequelle angeordnet sein Dabei kann die Mikrostruktur
aber trotzdem auf der gesamten Innenwand des Behälters
vorgesehen sein. Weiterhin kann der Boden des Behälters
gesehen auf seinen Innenraum konkav ausgebildet werden, so dass
sich seine konvexe Aussenfläche sehr wirkungsvoll für
eine Wärmeübertrag einer Heizflamme entgegen richtet. In
dem erfindungsgemäßen Behälter in dem
mit hoher Energieausnutzung eine Erwärmung durchgeführt
werden soll, ist die Mikrostruktur so ausgebildet, dass eine Blasenbildung
an der mit der Mikrostruktur versehenen Oberfläche begünstigt
wird. Die Höhe der Mikrostruktur und die Abstände
der einzelnen Vorsprünge zueinander sollte unter Beachtung
der Viskosität der zu erwärmenden Flüssigkeit
ausgewählt werden, wobei grundsätzlich die Abstände
zwischen den Vorsprüngen vermindert sein können,
je geringer die Viskosität ist. Es lässt sich
somit selbst bei relativ geringem Wärmenergieeintrag in
das zu erwärmende Fluid eine ausreichende Blasenbildung erreichen.
Die Blasen im zu erwärmenden Fluid haben eine an die Mirkrostruktur
angepasste Abmessung. Sie werden in einer hohen Frequenz bei Erhitzung
des Mediums und der darauf folgenden Mikrostruktur gebildet.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert werden. Die dargestellte Zeichnung zeigt einen
Behälter zur Aufnahme und Erwärmung von Flüssigkeiten.
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Der
Behälter 1 umfasst eine Außengesamtfläche 2 und
eine Innengesamtfläche 3, eine Mikrostruktur 4 angeordnet
ist. Die Mikrostruktur 4 muss dabei nicht zwingend die
Innengesamtfläche 3 vollständig abdecken.
Sie kann alternativ auch partiell an der Innenwand oder einer der
Innenwände ausgebildet sein. Insbesondere sollte die Mikrostruktur 4 aber in
dem Bereich des Behälters 1 angeordnet sein, der direkt
dem Wärmeeintrag der Wärmequelle 5 ausgesetzt
ist.
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Die
von der Wärmequelle 5 produzierte Wärme
wird beispielhaft über Konvektion in die Wandung des Behälters 1 eingetragen
und insbesondere über die in Kontakt mit dem Fluid 6 stehende
Mikrostruktur 4 in das Fluid 6 transportiert.
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Durch
die mit der Mikrostruktur 4 bewirkte Vergrößerung
der Innenfläche des Behälters 1 ist der Wärmetransport
in das Fluid 6 wesentlich effizienter durchführbar
als bei Verwendung glatter oder im Makro-Bereich profilierter Wände
des Behälters 1.
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Zusätzlich
wird durch die Mikrostruktur 4 die Blasenbildung im Fluid 6 bei
einer Erwärmung begünstigt. Dieser Vorgang erweist
sich als äußerst zeit- und energiesparend.
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- 1
- Behälter
- 2
- Außengesamtfläche
- 3
- Innengesamtfläche
- 4
- Mikrostruktur
- 5
- Wärmequelle
- 6
- Fluid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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