DE2844520A1

DE2844520A1 - Verfahren zur herstellung eines waermetauschers

Info

Publication number: DE2844520A1
Application number: DE19782844520
Authority: DE
Inventors: Tatsushi Aizawa; Masakutsu Hayashi; Yasushige Kashiwabara; Tatsuo Natori; Takeo Tanaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1978-10-12
Publication date: 1979-04-26
Also published as: GB2007549B; GB2007549A; JPS571757B2; DE2844520B2; JPS5459661A; DE2844520C3

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers mit Rippen aus einem porösen metallischen Werkstoff. Der poröse metallische Werkstoff besitzt eine große Anzahl kontinuierlicher Poren und besitzt ausgezeichnete Gasdurchlässigkeit. Der gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Wärmetauscher ist für verschiedene Wärmetauschzwecke zwischen zwei Pluiden unterschiedlicher Temperaturen geeignet. Beispielsweise kann der Wärmetauscher als luftwärmender oder luftabkühlender

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Wärmetauscher für einen Gebläse-Schlangenkühler, als lufterwärmter Verdampfer oder luftgekühlter Kondensator von Kälteanlagen oder Luft-Klimaanlagen usw. verwendet werden.

Bei einem bekannten Wärmetauscher (JP-OS 154 853/1975 = JP-Anmeldung 63 180/1974) bestehen die Rippen des Wärmetauschers aus einem geschäumten Metall, das durch Mischen eines gaserzeugenden Schäumungsmittels mit einem geschmolzenen Metall erhalten wird. Bei einem anderen bekannten Wärmetauscher (JA-OS 23 848/1976 = JA-Patentanmeldung 96 687/1974) bestehen die Rippen des Wärmetauschers aus Metallteilen, die miteinander durch beispielsweise Sintern vereinigt sind.

Bei dem ersteren Wärmetauscher ist jedoch der Strömungswiderstand der dem um die Rippen strömenden Gas entgegensteht nachteiligt erhöht wegen der unerwünschten Drosselung, die zwischen benachbarten Poren gebildet ist oder wegen der Isolation der Poren. Gleichzeitig ist es schwierig, eine gleichförmige Porositätsverteilung über die gesamte Fläche der Rippe zu erhalten. Bei letzteren Wärmetauscher ist es schwierig, eine befriedigende große Porosität zu erhalten, da die Poren, d.h. der Fluiddurchtritt, durch Spalte zwischen den Metallteilchen gebildet sind bzw. ist. Darüber hinaus ist eine erheblich lange Zeit erforderlich, um derartige Rippen herzustellen, wodurch sich erhöhte Herstellungskosten ergeben. Aus diesem Grund wurden diese Wärmetauscher nicht praktisch verwendet.

Die meisten praktisch verwendeten Wärmetauscher sind sog. Kreuzstrom-Rippenwärmetauscher, bei denen eine große Anzahl plattenförmiger Rippen senkrecht zum Wärmeübertragungsrohr so dicht wie möglich zueinander angeordnet

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sind, um so eine große Fläche für den Wärmetausch vorzusehen. Bei der Herstellung dieser Art eines Wärmetauschers kann die Verbindung und der Zusammenbau der Rohre erst nach dem Anbringen einer Anzahl von Rippen an diesen Rohren durchgeführt werden unabhängig davon, ob die Rohre gewundene oder meanderförmige Rohre sind oder gerade parallele Rohre, die durch einen Verteiler oder ein Umkehrstück miteinander verbunden sind. Diese Zusammenbauarbeit ist ziemlich beschwerlich und erfordert eine große Anzahl von Betriebsschritten und demzufolge eine lange Arbeitszeit. Gleichzeitig besteht eine praktische Grenze bei der Erhöhung der Wärmeubertragungsfläche durch Erhöhen der Dichte der Rippen, da eine erhöhte Dichte der Rippen eine schwierigere Verarbeitung bzw. Herstellung und einen größeren Widerstand zur Folge hat, der auf das Fluid einwirkt.

Ausgehend von den verschiedenen Problemen und Nachteilen der herkömmlichen und bekannten Wärmetauscher ist es Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers anzugeben, bei dem unter Überwindung dieser Nachteile eine verbesserte Wärmeübertragung bzw. ein verbesserter Wärmetausch sichergestellt ist sowie das Gewicht und die Größe des Wärmetauschers verringert wird.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Wärmetauschers vorgesehen, bei dem der Teil des Wärmetauschers,der die Rippen bildet, einstückig oder einheitlich als Block geformt oder gebildet ist und an der Umfangsfläche des Wärmetauscherrohrs befestigt ist, das zuvor in Form einer Schlange oder in anderer Form hergestellt worden ist.

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Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Erzeugung oder Herstellung eines Wärmetauschers an, bei dem eine poröse metallische Struktur mit kontinuierlichen dreidimensionalen Poren um ein Wärmetauschrohr ausgebildet wird und an diesem einstückig befestigt wird und zwar mittels einer Form, die ihrerseits unter Verwendung eines dreidimensionalen

netzwerkähnlichen Harancdells hergestellt wird. Ein Wärmetausch erfolgt zwischen dem durch die Poren der porösen metallischen Struktur strömenden Fluid und einem anderen Fluid, wie einem Kühlmittel oder Wasser, das durch das Wärmetauschrohr strömt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Verfahrens zur Erzeugung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung des Schrittes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem eine Form mit geschmolzenem Metall gefüllt wird,

Fig. 3 schematisch in Perspektive einen Wärmetauscher, der gemäß der Erfindung hergestellt ist,

Fig. 4 vergrößert einen Teil des Wärmetauschers gemäß Fig. 3, insbesondere einen Teil des Rippen-Blocks .

Zunächst wird ein Muster oder Modell 1 des Rippenblocks mit einem Harz (Kunstharz) hergestellt, wie geschäumtem Urethan,mit dreidimensionalen kontinuierlichen

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Poren 1a, das eine gute Gaspermeabilität oder -durchlässigkeit zeigt, wie in Fig. 1a dargestellt. Das Modell 1 wird teilweise geschnitten zur Aufnahme eines Wärmetauschrohrs, das in das Modell 1 einzubetten ist, wie das weiter unten erläutert wird. Dann, nachdem das Modell 1 in einem Rahmen 2, wie in Fig. 1b dargestellt, angeordnet ist, werden die kontinuierlichen Poren 1a des Modells 1 mit einem Formenstoff 3 hohen Fließvermögens gefüllt. Anschließend wird das genannte Wärmetauschrohr 4, das bereits so geformt ist, daß es die Form beispielsweise eines gewundenen oder Schlangemrohrs besitzt in den ausgeschnittenen Teil des Modells 1 eingesetzt und in diesem eingebettet,derart, daß beide Enden des Wärmetauschrohrs 4 nach außerhalb des Modells 1 ragen. Andererseits können die kontinuierlichen Poren la des Modells 1 mit einem Formenstoff 3 gefüllt werden,nachdem das Wärmetauschrohr 4 in das Modell 1 eingesetzt bzw. eingebettet worden ist. Ein Schlamm oder Brei aus puderförmigen Formengips und Wasser, ein Schlamm oder Brei aus Wasser und Gips mit Natriumchlorid, ein Schlamm oder Brei aus SiC^Pudern mit Größen unter der entsprechend einer Maschenweite von 0,053 mm(27O-mesh), die mit einem Bindemittel gemischt sind, die aus Sthylsilikat, industriellem Äthylalkohol und Wasser bestehen,oder ein anderer anorganischer Formenstoff kann als der Farmenstoff 3 zum Füllen der kontinuierlichen Poren 1a des Modells 1 verwendet werden.

Anschließend wird der Formenstoff 3 durch Erhitzen oder dergleichen gehärtet und gleichzeitig wird das das Modell 1 bildende Harz durch beispielsweise Verdampfen entfernt. Folglich wird eine Form 5 gebildet, die dreidimensionale kontinuierliche Poren um das Wärmetauschrohr 4 besitzt, wie das in Fig. 1c dargestellt ist. Dann werden nach Anordnen der so gebildeten Form 5 in einem Rahmen 6,

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wie in Fig. 1d dargestellt, die kontinuierlichen Poren mit einem geschmolzenen Metall 7 gefüllt. Dieses Füllen der Poren wird durch Evakuieren der Poren durch eine geeignete Druckverringerungseinrichtung oder andererseits durch zwangsweises Fördern des geschmolzenen Metalls 7 in die Poren durch eine geeignete Druckbeaufschlagungseinrichtung durchgeführt. Metallische Werkstoffe mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Al, Cu, Fe usw., übliche Eisen-Legierungen und eisenlose Legierungen wie diejenigen aus Pb, Sn, Zn und Mg können als Werkstoff für das geschmolzene Metall 7 verwendet werden.

Fig. 2 zeigt als Beispiel eine praktische Anordnung zum Füllen der kontinuierlichen Poren mit dem geschmolzenen Metall 7. Ein Druckbehälter 9 ist an seinem Unterteil mit einem Schmelztiegel 8 versehen. Der Rahmen 6, in der die Form 5 angeordnet ist, ist wie dargestellt im Druckbehälter 9 befestigt. Das Metall 7 im Schmelztiegel 8 wird durch einen Heizer 10 wie einen elektrischen Heizer vollständig geschmolzen. Wenn komprimierte Luft oder dergleichen in den Druckbehälter 9 zwangsbewegt wird, wird das geschmolzene Metall 7 zwangsweise durch eine Leitung 12 in die Poren der Form 5 geführt, um diese zu füllen.

Nach Verfestigung des geschmolzenen Metalls 7 in den Poren der Form 5 wird die Form 5 vom Rahmen 6 getrennt und aufgebrochen und durch Auflösen in Wasser, Vibration oder Erwärmen entfernt, wie in Fig. 1 e dargestellt.

Folglich wird,wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, ein Rippen-Block 15 aus porösem metallischen Werkstoff mit dreidimensionalen kontinuierlichen Poren 14, die durch dünne skelettartige Rippen 13 definiert sind, um das ge-

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wundene Wärmetauschrohr 4 einstückig mit diesem geformt oder gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmetauschrohr 4 in dem Modell 1 durch den Ausschnitt in diesem eingebettet. Jedoch ist diese Vorgehensweise des Einbettens nicht ausschließlich notwendig, beispielsweise kann das Wärmetauschrohr 4 zwischen zwei Modelle zwischengeschichtet werden.

Wenn das so gebildete Rippen aufweisende Wärmetauschrohr 4 in einem Wärmetauscher verwendet wird, kann die Luft oder ein anderes Gas durch eine große Anzahl von Poren 14, die zwischen den skelettartigen Rippen 13 gebildet sind, so fließen, daß die Wärme wirksam zwischen dem Fluid, wie Wasser, Kühlmittel oder dergleichen, das durch das Wärmetauschrohr 4 strömt_/und der Luft oder dem anderen außerhalb dem Wärmetauschrohr 4 strömenden Gas getauscht werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmetauschrohr 4 so bearbeitet, daß es ein gewundenes Rohr oder eine Rohrschlange bildet, bevor es in das Modell 1 eingesetzt wird, wobei dann die Rippen einstückig um das Rohr in der beschriebenen Weise gebildet werden. Der Rippen-Block kann jedoch an dem Wärmetauschrohr in verschiedener Weise, wie im folgenden dargestellt, befestigt werden:

(1) Eine Bohrung wird in dem Rippen-Block nach dessen Bildung ausgebildet. Dann wird das Wärmetauschrohr in die Bohrung eingesetzt und so ausgedehnt, daß es dicht oder dauerhaft am Rippen-Block befestigt ist.

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(2) Ein geeignetes metallisches Lötmittel mit einem Schmelzpunkt,der niedriger ist als der der Rippenglieder, wird auf der Oberfläche des Wärmetauschrohrs aufgebracht. Dann wird das Rohr in eine in dem Rippen-Block simultan mit dessen Bildung gebildete Bohrung eingeführt. Dann wird das Lötmittel durch geeignetes Erwärmen so geschmolzen, daß das Rohr und der Rippen-Block einstückig miteinander verbunden sind.

(3) Nach Einsetzen des Wärmetauschrohrs in die Bohrung, die in dem Rippen-Block simultan mit dessen Herstellung gebildet worden ist, wird ein hochfrequenter Strom im Wärmetauschrohr induziert. Der Teil des Rippen-Blocks um das Rohr wird durch die in dem Wärmetauschrohr erzeugte Wärme geschmolzen und mit dem Rohr verschweißt.

(4) Ein Lötmittel, das auf die Oberfläche des Wärmetausehrohrs aufgebracht ist, wird erwärmt und geschmolzen mittels Hochfrequenzheizung,derart, daß der Rippen-Block mit dem Wärmetauschrohr haftend verbunden werden kann.

Diese Vorgehensweisen (1) bis (4) haben jedoch verschiedene Nachteile. Die Vorgehensweise (1) ruft einen unzulässig langen Kontaktwiderstand gegenüber dem Wärmetausch zwischen dem Wärmetauschrohr und dem Rippen-Block hervor. Die Vorgehensweisen (2) und (3) erfordern ein lästiges oder umständliches Erwärmen, obwohl dadurch ein geringer Kontaktwiderstand gegenüber Wärmetausch hervorgerufen werden kann. Insbesondere erfordert die Vorgehensweise (3) eine derart hohe Erwärmungstemperatur, daß der Rippen-Block teilweise geschmolzen wird, obwohl die Erwärmungszeit verringert werden kann. Die Vorgehens-

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weise (4), die einen geringen Kontaktwiderstand gegenüber dem Wärmetausch sicherstellen kann sowie eine verringerte Erwärmungstemperatur und Erwärmungszeit erfordert nachteilig eine große Anzahl von Herstellschritten. Schließlich erfordern alle Vorgehensweisen (1) bis (4) einen weiteren Schritt zum Anbringen von U-Krümmern an den Enden der Wärmetauschrohre nach dem Befestigen des Rippen-Blocks an diesen. Aus diesen Gründen ist keine dieser Vorgehensweisen (1) bis (4) zu bevorzugen im Hinblick auf die Vereinfachung von Herstellschritten und im Hinblick auf eine gute Befestigung des Wärmetauschrohrs und des Rippen-Blocks aneinander.

Bei dem auf diese Weise hergestellten Wärmetauscher kann die Luft/ die am Wärmetausch teilnimmt, schnell durch eine Anzahl kontinuierlicher Poren 14 strömen, die durch die skelettartigen Rippen 13 des Rippen-Blocks 15 gebildet sind, ohne daß ein wesentlicher Widerstand entgegensteht, derart, daß die Wärme wirksam zwischen der Luft und dem Fluid in dem Wärmetauschrohr 4 durch die Wand des Wärmetauschrohrs 4 und die Rippen 13 ausgetauscht werden kann. Da die Rippen 13 des gemäß der Erfindung hergestellten Wärmetauschers dreidimensional nach Art eines Netzwerkes angeordnet sind, kann dadurch eine wesentlich größere Wärmetauschflache erreicht werden als bei herkömmlichen plattenförmigen Rippen. Zusätzlich wird, da der Durchtritt der Luft dreidimensional in Form eines Netzwerkes kompliziert erfolgt, die die Rippen berührende Luft kräftig verwirbelt zum Unterdrücken des Entstehens einer Temperaturgrenzschicht, die den Wärmetausch verhindern würde. Folglich wird die Wärmeübertragung in großem Maße verbessert, um einen hochwirksamen Wärmetausch sicherzustellen.

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Bei Wärmetauschern ist der Koeffizient der Wärmeübertragung auf Luft wiedergegeben durch:

h ~ d"ⁿ

wobei η im allgemeinen größer als O ist,

h ist gleich der Wärmeübertragungskoeffizient und d ist gleich der representative Durchmesser. Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß der Wärmetauschkoeffizient h mit Abnahme des Durchmessers d zunimmt. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß gemäß der Erfindung es möglich ist, das Wärmetauschvermögen weiter zu verbessern, da das Verfahren gemäß der Erfindung die Bildung außerordentlich dünner drahtförmiger Rippen 13 ermöglicht.

Wie erläutert,wird gemäß der Erfindung das Wärmetauschrohr zuvor geformt, so daß es beispielsweise als Rohrschlange ausgebildet ist,und wird dann der Rippen-Block einstückig um das Rohr gebildet. Deshalb sind umständliche anschließende Verfahrensschritte wie das Einsetzen von U-Krümmern, das Ausdehnen der Rohre und dergleichen vollständig beseitigt, wodurch das gesamte Herstellverfahren außerordentlich vereinfacht wird. Schließlich ist das den Rippen-Block bildende Metall in äußerst enger Anlage am Rohr, wenn das geschmolzene Metall abgekühlt wird und sich verfestigt wegen dessen Schrumpfen, wodurch der Wärmeübergang von der Rohrwand auf den Rippen-Block verbessert wird. Darüber hinaus ist es, da ein Harzmodell verwendet wird, möglich zuvor den Strömungswiderstand festzustellen, dem die Luft ausgesetzt ist. Darüber hinaus kann der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Wärmetauscher eine größere Wärmetauschfläche pro Volumeneinheit besitzen und demzufolge ein besseres Wärmetauschvermögen im Vergleich

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mit herkömmlichen Kreuzstrom-Rippenwärmetauschern. Folglich ist es gemäß der Erfindung möglich, den Wärmetauscher zu verkleinern. Gleichzeitig wird das Gewicht des Wärmetauschers insgesamt deutlich verringert durch die Verwendung .leichtgewichtigen porösen metallischen Werkstoffs.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Modell mit kontinuierlichen Poren mittels eines Harzes hergestellt wird,

daß die Poren des Modells mit einem fließfähigen Formenstoff gefüllt werden,

daß ein Wärmetauschrohr in dem Modell so eingebettet wird, daß die Enden des Wärmetauschrohrs aus dem Modell herausragen,

daß der Formenstoff durch Erwärmen oder dergleichen Maßnahmen gehärtet wird, während das Harz-Modell entfernt wird, wodurch eine Form mit kontinuierlichen Poren gebildet wird,

daß die Poren der Form mit einem geschmolzenen Metall gefüllt werden, durch Druckabsenken in den Poren oder durch Zwangsbewegen des geschmolzenen Metalls in die Poren durch Unterdrucksetzen, und

daß die Form nach der Verfestigung des Metalls entfernt wird, wodurch ein poröses Metall mit kontinuierlichen Poren um das Wärmetauschrohr und einstückig mit diesem verbunden gebildet wird.

81-(A3345-O2)-MeRs

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— ο —

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Wärmetauschrohr in dem Modell so

eingebettet wird, daß die Enden des Wärmetauschrohrs aus dem Modell herausragen und daß dann die Poren des Modells mit einem fließfähigen oder fluidisierten Formenstoff gefüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Formenstoff verwendet wird:

ein Schlamm oder Brei aus pulverförmigen Formengips und Wasser,

ein Brei oder Schlamm aus Wasser und Gips, der Natriumchlorid enthält,

ein Schlamm oder Brei aus SiO₂-Pudern einer Größe entsprechend einer Maschenweite unter*^3,O53 mm (270-mesh), der mit einem Bindemittel vermischt ist, das aus Äthylsilikat, industriellem Äthylalkohol und Wasser besteht oder

ein üblicher anorganischer Formenstoff.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß als Metallfüllung für die Poren der Form irgendein wärmeleitfähiger Werkstoff verwendet wird, wie Al, Cu, Fe usw., eine übliche eisenhaltige Legierung, und/oder eine eisenfreie Legierung mit Pb, Sn, Zn, Mg, usw.

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