DE2157807C3 - Wärmeübertragungselement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

dium hineinragen. Schließlich wird auch in der Grenzschicht selbst durch die Whisker eine Turbulenz erzeugt, welche wiederum zu einer verbesserten Wärmeübertragung beiträgt.

Für den vorliegenden Fall kommen vor allem polykristalline Metallwhisker in Frage, die einen Durchmesser von 0,1 um bis etwa 50 μίτι aufweisen. Ihre Länge sowie die Größe der Zwischenräume zwischen den Whiskern hängt von der Dicke der Grenzschicht, also von der Zähigkeit des strömenden Mediums ab. Wenn diese Zwischenräume so groß sind, daß das Medium diese Zwischenräume noch leicht durchströmen kann, wird zusätzlich eine Turbulenz erzeugt. Aufgrund der außerordentlich hohen Festigkeit der polykristallinen Metallwhisker widerstehen sie dem Druck des strömenden Mediums auch dann, wenn die freien Enden der Whisker über die Grenzschicht hinaus in das strömende Medium hineinragen.

Wenn eine größtmögliche Menge an Whiskern pro Flächeneinheit untergebracht werden soll, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die polykristallinen Metallwhisker parallel zueinander und senkrecht zur Oberfläche des wärmeleitenden Körpers auszurichten. In diesem Fall sollen die Whisker zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material bestehen, so daß sie durch ein Magnetfeld ausgerichtet werden können. Es können also hierfür Eisen- oder Nickelwhisker verwendet werden oder auch Metallwhisker mit einer ferromagnetischen Seele und einer oder mehreren Hüllen aus einem anderen Metall, z. B. Kupfer.

Der feste Körper kann ein Metallrohr sein, dessen lichte Weite von zueinander parallelen, an der Innenfläche des Rohres metallisch befestigten polykristallinen Whisker-Zeilen überspannt ist. Alternativ kann der feste Körper eine Trennwand zwischen einem ersten und einem zweiten flüssigen oder gasförmigen Medium bilden, wobei die polykristallinen Metallwhisker an seinen den beiden Medien zugewandten Flächen metallisch befestigt sind. Schließlich kann der feste Körper ein elektrischer Heizleiter sein, an dessen Außenfläche die polykristallinen Metaliwhisker befestigt sind.

Die Befestigung der Metallwhisker an der Oberfläche des festen Körpers erfolgt vorzugsweise durch eine Metallabscheidung. In Frage kommt eine Abscheidung von Metall durch stromlose Reduktion einer Metallverbindung oder auch ein galvanischer Niederschlag. Besonders bevorzugt ist jedoch die Abscheidung von Metall durch thermische Zersetzung einer dampfförmigen Metallverbindung, beispielsweise eines Metallkarbonyls. Das abgeschiedene Metall schlägt sich hierbei nicht nur im Bereich der Berührungsstellen der Whisker mit der Oberfläche des festen Körpers nieder, sondern auch auf den Whiskern selbst, wodurch die Wärmeübertragung verbessert werden kann, wenn für das abzuschneidende Metall ein solches mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Silber, verwendet wird. Alternativ kann eine Befestigung der Whisker an der Oberfläche des festen Körpers auch durch Elektronenstrahlschweißung erfolgen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i e. 1 einen Teilschnitt durch einen festen, gut wärmeleitenden Körper, mit dessen Oberfläche polykristalline Metallwhisker metallisch verbunden sind, in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht der Fig. 1,
F i g. 3 einen Schnitt durch einen Wärmetauscher mit einer Trennwand zwischen zwei strömenden Medien, die beidseitig mit polykristallinen Metallwhiskern bewachsen ist,

F i g. 4 einen Querschnitt durch einen rohrförmigen

ίο Wärmetauscher,

F i g. 5 einen Querschnitt durch ein Rohr, an dessen Innenfläche polykristalline Metallwhisker befestigt sind, die die lichte ■ Weite des Rohres überspannen und parallel zueinander ausgerichtet sind,

Fig. 6.eine Whisker-Zeile in stark vergrößertem Maßstab vor ihrer Verbindung mit der Wand des Rohres,

F i g. 7 die gleiche Whiskerzeile nach ihrer Befestigung an der Rohrwand durch Metallabscheidung,

F i g. 8 einen Längsschnitt durch einen elektrischen Heizleiter, an dessen Oberfläche polykristalline Metallwhisker befestigt sind, und

F i g. 9 einen Querschnitt durch den Heizleiter von Fig. 8.

Es sei zunächst auf die F i g. 1 und 2 bezuggenommen, die einen metallischen Körper 1 zeigen, auf dessen Oberfläche 2 polykristalline Metallwhisker .'· mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 μΐη wärmeleitend befestigt sind. Die Whisker 3 bestehen beispielsweise aus Eisen oder Nickel, und sie sind durch galvanische Abscheidung einer Silberschicht 4 mit der Oberfläche 2 verbunden. Die Abscheidung erfolgt auch auf den Whiskern 3 selbst, wodurch eine verbesserte Wärmeleitung erreicht wird. Die Dicke der Schicht 4 kann ebenfalls in der Größenordnung von wenigen Mikron liegen.

Es sei angenommen, daß an der Oberfläche 2 des festen Körpers 1 eine Flüssigkeit entlangströmt, die ihre Wärme an den festen Körper 1 abgeben soll.

Hierbei bildet sich eine träge Grenzschicht 5 aus, deren Wärmeleitzahl sehr gering ist und in der Größenordnung von 0,2 bis 0,5

Kcal

^₅=- liegt. Da die Wär-

m ■ h · °C
meleitzahl der Whisker 3 zusammen mit ihrer Umhüllungsschicht 4 mindestens hundertmal so groß ist wie diejenige der Flüssigkeit, wird der Wärmeübergang auf den festen Körper 1 erheblich verbessert. Beträgt der Durchmesser der Whisker 3 mit ihrer Umhüllungsschichl; 4 10 um und ist der Abstand zwischen

benachbarten Whiskern ebenfalls 10 μηι, so sind etwa 2O°/o der Oberfläche 2 des festen Körpers 1 mit Whiskern bedeckt. Beträgt die Wärmeleitzahl der die Grenzschicht 5 bildenden Flüssigkeit 0,2 und haben die Whisker 3 mit ihrer Umhüllungsschicht 4 die Wärmeleitzahl 100, so ergibt sich, daß die Wärmeleitung durch die Whisker 3 mit ihrer Umhüllungsschicht 4 hundertmal so groß ist wie die Wärmeleitung durch die Grenzschicht 5. Hierbei ist die durch die Whisker erzeugte Turbulenz und die durch sie geförderte Wärmeübertragung noch nicht berücksichtigt.

Die Länge der Whisker 3 soll mindestens der Dicke der Grenzschicht 5 entsprechen und hängt demzufolge von der Zähigkeit des strömenden Mediums ab.

Die freien Enden der Whisker 3 können, wie gezeigt, über die Grenzschicht 5 hinaus in die strömende Flüssigkeit hineinragen, um den Wärmeübergang noch weiter zu verbessern. Darüber hinaus bewirken die

Enden der Whisker eine Turbulenz, die auch die Whisker bestehen in diesem Fall ganz oder teilweise

Grenzschicht 5 stört und die Dicke derselben verrin- aus einem ferromagnetischen Metall, wie Eisen oder

„_ert Nickel, und sie sind durch ein Magnetfeld parallel zu-

F i g. 3 zeigt rein schematisch einen Wärmetauscher, einander ausgerichtet. Die einzelnen Whisker ordnen der aus einem von zwei Schalen 6 und 7 gebildeten 5 sich entlang den Kraftlinien des Magnetfeldes zu Zei-Gehäuse besteht, in welchem eine metallische Zwi- len, wie dies in F i g. 6 schematisch und in vergrößerschenwand 8 angeordnet ist, die zwei Hohlräume 9 tem Maßstab dargestellt ist. Dann wird das Rohr 17 und 10 voneinander trennt, die von flüssigen oder auf die Zersetzungstemperatur einer thermisch zergasförmigen Medien durchströmt werden. An den setzbaren Metallverbindung erwärmt und diese Me-Oberfiächen 11 und 12 der Zwischenwand 8 sind po- io tallverbindung in Dampfform durch das Rohr 17 hinlykristalline Metallwhisker befestigt. Die Herstellung durchgeleilet. Die Verbindung zersetzt sich im Rohr, eines derartigen Wärmetauschers kann dadurch erfol- wodurch Metall auf der Oberfläche der Whisker sogen, daß polykristalline Metallwhisker in die Hohl- wie an den Berührungsstellen zwischen den Whisräume 9 und 10 eingefüllt werden, dann die Zwi- kern 19 und der Innenwand 18 des Rohres 17 als schenwand 8, beispielsweise durch elektrischen Strom 15 Schicht 20 abgeschieden wird, wie dies in F ig. 7 darauf die Zersetzungstemperatur einer thermisch zer- gestellt ist.

setzbaren Metallverbindung erhitzt wird, darauf diese F i g. 8 zeigt einen elektrischen Heizleiter 21, des-

Metallverbindung in Dampfform durch die Hohl- sen Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden, je-

räume 9 und 10 geleitet wird, wobei sich die Verbin- doch gut wärmeleitenden Schicht 22, beispielsweise

dung zersetzt und Metall an den Berührungsstellen 20 einem Lack, beschichtet ist. An der Oberfläche dieser

der Whisker mit den Oberflächen 11 und 12 sowie Schicht 22 sind entsprechend den vorhergehenden

auf den Whiskern selbst abscheidet, und schließlich Beispielen polykristalline Metallwhisker wärmelei-

die nichtbefestigten Whisker aus den Hohlräumen 9 tend befestigt. Die Anbringung der Whisker kann

und 10 ausgeblasen werden. Besonders bevorzugte wiederum so vor sich gehen, daß der Heizleiter 21

Metallverbindungen sind Metallcarbonyle. 25 in ein Rohr gesteckt wird, der Zwischenraum zwi-

F i g. 4 zeigt einen Wärmetauscher in Form zweier · sehen dem Heizleiter und dem Rohr mit Metallkonzentrischer Rohre 13, 14, von denen das innere whiskern gefüllt wird. Der Heizleiter 21 durch elek-Rohr 13 an seiner Innen- und Außenfläche 15 bzw. frischen Strom auf die Zersetzungstemperatur einer 16 mit Whiskern bewachsen ist. Die Befestigung der thermisch zersetzbaren Metallverbindung erwärmt Whisker kann in der gleichen Weise erfolgen, wie 30 wird, dann diese Mctallverbindung durch die Whisdies in Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben kermasse hindurchgeführt wird, wobei sich Metall an _wurde. den Berührungsstellen der Whisker und der Ober-F i g. 5 zeigt ein Rohr 17, an dessen Innenfläche 16 fläche der Isolierschicht 22 des Heizleiters 21 abpolykristalline Metallwhisker 19 befestigt sind, welche scheidet und schließlich die nicht angewachsener die lichte Weite des Rohres 17 überspannen. Die 35 Whisker ausgeblasen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

verbunden werden müssen. Die Borsten sollen aus Patentansprüche: einem steifen Drahtmaterial, wie Aluminium oder Kupfer bestehen. Um bei diesen Metallen, die be-

1. Wärmeübertragungselement, bestehend aus kanntlich sehr weich sind, eine ausreichende Steifigeinem festen, gut wärmeleitenden Körper mit 5 keit zu erreichen, erscheint es kaum denkbar, daß einer mit einem flüssigen oder gasförmigen Me- Borsten mit einem Durchmesser von weniger als dium in Berührung kommenden Oberfläche, von 0,3 mm verwendet werden können. Die Gesamtheit der wärmeaufnehmende oder -abgebende Bau- der Oberfläche aller Borsten mit einem derartigen teile vorstehen.dadurchgekennzeichnet, Durchmesser, die auf einer bestimmten Grundfläche daß diese Bauteile polykristalline Metall- io untergebracht werden können, hat jedoch eine verwhisker (3) sind, die mit der Oberfläche (2) me- hältnismäßig kleine wärmeabgebende bzw. -aufnehtallisch verbunden sind. mende Oberfläche. Überdies dürfte bei diesem be-

2. Wärmeübertragungselement nach An- kannten Wärmeübertragungselement die Wärmeüberspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poly- tragung von den Borsten auf die Grundplatte oder kristallinen Metallwhisker (3) parallel zueinander 15 umgekehrt nicht optimal sein, da der Kleber, der und senkrecht zur Oberfläche (2) ausgerichtet normalerweise keine allzugute Wärmeleitfähigkeit sind. hat, auch in die Löcher, welche die Borsten aufneh-

3. Wärmeübertragungselement nach An- men, eindringen soll, um die Halterung der Borsten sprach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verbessern.

feste Körper ein Metallrohr (17) ist, dessen lichte 20 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Weite von zueinander parallelen, an der Innen- Wärmeübertragungselement zu schaffen, das sich

fläche (18) des Rohres (17) metallisch befestigten gegenüber dem bekannten durch eine wesentlich grö-

polykristallinen Whisker-Zeilen (19) überspannt ßere Wärmeübertragungsfähigkeit und einen einfa-

ist. cheren und billigeren Aufbau auszeichnet.

4. Wärmeübertragungselement nach An- 25 Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeschlagen, daß die von der Oberfläche des wärfeste Körper eine Trennwand zwischen einem meleitenden Körpers vorstehenden Bauteile polyersten und einem zweiten flüssigen oder gasföf- kristalline Metallwhisker sind, die mit der Oberfläche migen Medium bildet und die polykristallinen metallisch verbunden sind.

Metallwhisker an seinen den beiden Medien zu- 30 Polykristalline Metallwhisker (s. beispielsweise

gewandten Flächen (11,12) metallisch befestigt »Zeitschrift für Metallkunde« Band 59 (1968), Heft 1,

sind. S. 18 bis 22) können mit genau bestimmbaren Durch-

5. Wärmeübertragungselement nach An- messern ab etwa 0,1 μΐη in ebenfalls vorbestimmbaspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ren Längen bis zu mehreren Zentimetern hergestellt feste Körper ein elektrischer Heizleiter ist, an des- 35 werden. Die Herstellung solcher polykristallinen Mesen Außenfläche die polykristallinen Metall- tallwhisker erfolgt aus der Gasphase, wobei die whisker metallisch befestigt sind. Whisker durch Aggregation von ursprünglich freien

Metallatomen zu ihrer Fadengestalt anwachsen. Sie besitzen aufgrund ihrer urgewöhnlichen Struktur und

40 einer extrem hohen Anzahl von Versetzungen eine

überragende Festigkeit, welche diejenige konventioneller Metallfasern um mehr als eine Zehnerpotenz

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertr^gungsele- überschreiten. Die Herstellung solcher polykristalli-

ment, bestehend aus einem festen, gut warmeleiten- ner Metallwhisker ist z. B. in der DT-PS 12 24 934

den Körper mit einer mit einem flüssigen oder gas- 45 beschrieben.

förmigen Medium in Berührung kommenden Ober- Durch die Verwendung von polykristallinen Me-

fläche, von der wärmeaufnehmende oder -abgebende tallwhiskern und ihre metallische Verbindung mit der

Bauteile vorstehen. Oberfläche des wärmeleitenden Körpers wird die

Bei der Wärmeübertragung auf ein oder von einem Wärmeübertragung bedeutend verbessert, da diese strömenden Medium tritt eine besondere Schwierig- 50 Whisker aufgrund ihres geringen Durchmessers in keit dadurch auf, daß sich, bedingt durch die Rei- ihrer Gesamtheit eine außerordentlich große Oberbung des strömenden Mediums an der Oberfläche des fläche haben, wodurch der Wärmeautausch beschleufesten Körpers, eine relativ träge Grenzschicht des nigt wird. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit von bis strömenden Mediums bildet, die den Wärmeübergang zu 800 kp/mm² können sie trotz ihres sehr kleinen von dem strömenden Medium auf den festen Körper 55 Durchmessers sehr hohen Flüssigkeits- oder Gasoder umgekehrt erheblich verschlechtert. drücken standhalten, ohne an die Oberfläche des

Aus der DT-OS 18 11 889 ist ein Wärmeübertra- wärmeleitenden Körpers angedrückt zu werden,

gungselement bekanntgeworden, das eine Grundflä- Die sehr dünnen polykristallinen Metallwhisker

ehe aus einem Werkstoff hoher Leitfähigkeit aufweist, durchdringen die lami tare Grenzschicht. Da die

in welche eine große Anzahl von Borsten aus Metall- 60 Wärmeleitzahl von Metallen mehrere hundertmal so

draht mit ihren Wurzelenden versenkt sind. Diese groß ist wie die Wärmeleitzahl von Flüssigkeiten,

Borsten sollen die üblichen Wärmetauschrippen er- wird schon dann, wenn nur 20% der Oberfläche

setzen. Die Herstellung eines solchen Wärmeüber- des- wärmeleitenden Körpers mit Whiskern versehen

tragungselements erscheint schwierig und teuer, da sind, die Wärmeleitung durch die laminare Grenz-

die Grundplatte mit einer Vielzahl von feinen Lö- 65 schicht hindurch um mehr als das Hundertfache ver-

chern versehen werden muß, in welche entsprechend bessert. Eine weitere Verbesserung der Wärmeüber-

gebogene und auf Länge abgeschnittene Borsten ein- tragung wird erreicht, wenn die Whisker über die Ia-

eeführt und durch einen Kleber mit der Grundplatte minare Grenzschicht hinaus in das strömende Me-