DE4036932A1 - Verfahren zum herstellen einer einen hohen wirkungsgrad aufweisenden waermeuebertragungsflaeche und auf diese weise hergestellte flaeche - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wärmeüber­ tragungsflächen und ein Verfahren, mit dem eine derartige Fläche hergestellt werden kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine poröse Fläche zum wirksamen Sieden einer Flüssigkeit, wie beispielsweise eines flüssigen Kälte­ mittels, und auf ein Verfahren zum Flammspritzen und Be­ handeln eines Metallsubstrates, um eine derartige Fläche herzustellen.

Es ist bekannt, daß das Blasensieden eines der wirksamsten Verfahren zur Übertragung von Wärme von einer erhitzten Fläche auf eine mit der Fläche in Kontakt stehende Flüssig­ keit ist. Bei einem solchen Blasensiedeverfahren verdampft die von der erhitzten Fläche übertragene Wärme damit in Kontakt stehende Flüssigkeit, und es bilden sich Blasen. Der in einer Blase eingefangene Dampf wird durch die von der Fläche ausgehende Wärme überhitzt, und die Größe der Blase nimmt zu. Wenn die Blasengröße ausreichend groß ist, wird die Oberflächenspannung überwunden, und die Blase löst sich von der Fläche. Wenn die Blase die Fläche verläßt, tritt Flüssigkeit in das von der Blase freigegebene Volumen ein, und der im Volumen verbleibende Dampf besitzt eine Quelle an zusätzlicher Flüssigkeit, um in einer weiteren Blase zu verdampfen. Die kontinuierliche Ausbildung von Blasen an der Fläche, die Freigabe der Blasen von der Fläche und das erneute Benetzen der Fläche zusammen mit dem konvektiven Effekt der durch die Flüssigkeit steigenden und sich damit vermischenden Dampfblasen führen zu einem verbesserten Wärmeübertragungsvermögen der Wärmeübertragungsfläche.

Es ist ferner bekannt, daß ein solcher Blasensiedevorgang verbessert werden kann, indem man die Wärmeübertragungs­ fläche so ausbildet, daß sie Verdampfungskeimstellen besitzt, die Stellen für das Einfangen von Dampf bilden und die Ausbildung von Dampfblasen fördern. Durch einfaches An­ rauhen einer Wärmeübertragungsfläche werden beispielsweise Verdampfungskeimstellen gebildet, die die Wärmeübertragungs­ eigenschaften der Fläche gegenüber einer entsprechenden glatten Fläche verbessern können.

Beim Sieden von flüssigen Kältemitteln, beispielsweise im Verdampfer einer Klimaanlage oder eines Kälteerzeugungs­ systems, erzeugen Verdampfungskeimstellen vom Wiederein­ trittstyp stabile Blasensäulen und bewirken gute Flächen- Wärmeübertragungseigenschaften. Eine Verdampfungskeimstelle vom Wiedereintrittstyp ist ein Hohlraum einer Fläche, bei dem die Öffnung geringer ist als das unter der Fläche be­ findliche Volumen des Hohlraums. Ein übermäßig starkes Ein­ fließen der umgebenden Flüssigkeit kann eine Keimstelle vom Wiedereintrittstyp überfluten und diese deaktivieren. Indem man die Wärmeübertragungsfläche so ausbildet, daß sie rela­ tiv größere Verbindungskanäle unter der Fläche mit relativ kleineren Öffnungen zur Fläche hin besitzt, kann eine Über­ flutung der Dampfmitführung oder der Verdampfungskeimstellen verhindert werden. Auf diese Weise können die Wärmeübertra­ gungseigenschaften der Fläche verbessert werden.

Mit Kenntnis der vorstehend beschriebenen Prinzipien sind über die Jahre viele Anstrengungen unternommen worden, Wärmeübertragungsflächen mit einem verbesserten Wirkungs­ grad herzustellen, die Verdampfungskeimstellen unter der Oberfläche besitzen.

Ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Fläche besteht im Bearbeiten, Walzen oder Fräsen. Solche Verfahren sind beispielsweise in den US-PS′en 36 96 861, 37 68 290, 41 59 739 und 44 38 807 beschrieben. Mit diesen Verfahren kann jedoch keine Wärmeübertragungsfläche auf einem Substrat eines Hartmetalls, wie beispielsweise Titan, hergestellt werden.

Ein weiteres Verfahren ist in der US-PS 41 29 181 erläutert. Hierbei wird eine Metallfläche hergestellt, indem zuerst eine Schicht aus einem retikulären organischen Schaum aufge­ bracht und danach ein dünner Metallüberzug auf das Schaum­ substrat plattiert wird. Die Schaumschicht wird dann bei einer Temperatur in einem Bereich von 300°C-525°C pyro­ lisiert. Durch diese Erhitzung kann jedoch das Metall ausge­ glüht werden, was zu einer Verschlechterung seiner mecha­ nischen Eigenschaften führt.

Das Flammspritzen von metallischen Partikeln auf ein Metallsubstrat ist ein weiteres Herstellverfahren. Diverse Varianten dieser Technik sind entwickelt und veröffentlicht worden. Bei dem in der US-PS 39 90 862 beschriebenen Ver­ fahren besitzt das Gasgleichgewicht zwischen dem Oxidations­ mittel und dem Brennstoff primäre Bedeutung. Beim Verfahren der US-PS 43 54 550 muß die Fläche vorerhitzt werden, bevor flammgespritzt wird. Bei dem in der US-PS 47 53 849 offen­ barten Verfahren, das vom gleichen Erfinder entwickelt wurde, werden zwei unterschiedliche Metalle auf ein Metall­ substrat flammgespritzt. Eines der Metalle wird dann über ein Säurebad ausgeätzt, um in der Substratoberfläche Hohl­ räume unter der Fläche auszubilden.

Bei dem in der US-PS 43 59 086 beschriebenen Verfahren werden spanabhebende Bearbeitungsverfahren und Flammspritz­ techniken kombiniert, indem eine Fläche zuerst gewalzt und gefräst wird, wonach die bearbeiteten Flächen flammgespritzt werden, um einen porösen Überzug über den in die Fläche ein­ gearbeiteten Kanälen auszubilden.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer Wärmeübertragungs­ fläche zum Sieden von Flüssigkeiten mit hohem Wirkungsgrad, die einfach, wirtschaftlich und sicher hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeüber­ tragungsfläche zu schaffen, die besonders gute Wärmeüber­ tragungseigenschaften besitzt.

Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Herstell­ verfahrens für eine Wärmeübertragungsfläche mit hohem Wir­ kungsgrad, die wirtschaftlich, einfach und sicher in großem Umfang hergestellt werden kann.

Des weiteren soll erfindungsgemäß ein Herstellverfahren für eine Wärmeübertragungsfläche mit hohem Wirkungsgrad zur Ver­ fügung gestellt werden, mit dem optimale Wärmeübertragungs­ eigenschaften auf Flächen aus verschiedenen metallischen Bestandteilen, die zum Siedenlassen einer Vielzahl von Flüssigkeiten verwendet werden, erreicht werden können.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein neuartiges Verfahren zur Aufbringung eines porösen Überzuges auf ein Metallsubstrat gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Metallsubstrat mit einem Gemisch aus einem Metallpulver und einem Pulver aus einem nichtmetallischen Material flammgespritzt. Die Partikel des Metallpulvers verschmelzen mit dem Substrat und miteinander, wobei die Partikel aus dem nichtmetallischen Pulver in den flammgespritzten Überzug eingebettet werden. Durch einen zweiten Flammspritzvorgang kann ein zweiter Überzug auf dem ersten Überzug angeordnet werden, wobei hierzu ein Pulvergemisch verwendet wird, das andere Anteile der Partikel aus dem metallischen und nichtmetallischen Pulver und/oder Partikel unterschiedlicher Größen enthält. Der entstandene Überzug wird dann gebrannt, wodurch die nichtmetallischen Partikel in einen gasförmigen Zustand übergehen und aus dem Überzug herausdiffundieren, wobei sie Leerräume oder Hohlräume dort im Überzug zurücklassen, wo die nichtmetallischen Partikel eingebettet waren.

Die verschiedenen neuartigen Merkmale, die die Erfindung charakterisieren, sind in den Patentansprüchen aufgeführt, die einen Teil dieser Beschreibung bilden. Die zugehörigen Zeichnungen sowie die nachfolgende Beschreibung, die bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen und erläu­ tern, führen zu einem besseren Verständnis der Erfindung und den damit gewonnenen Vorteilen und Zielen.

Die zugehörigen Zeichnungen stellen ebenfalls einen Teil der Beschreibung dar. In den Zeichnungen dienen gleiche Bezugs­ zeichen zur Bezeichnung von gleichen oder entsprechenden Teilen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung, wobei ein einziger poröser Überzug auf ein Wärmeaustauschrohr aus Kupfer aufgebracht wird; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche gemäß ei­ ner weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein erster poröser Überzug und dann ein zweiter Überzug einer feineren Porösität auf ein Wärme­ austauschrohr aus Kupfer aufge­ bracht werden.

Die hier beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für Wärmeaustauschrohre geeig­ net, die in Verdampfern von Klimaanlagen oder Kälteerzeu­ gungssystemen verwendet werden. Ein solcher Verdampfer ist üblicherweise ein rohrförmiger Wärmetauscher, bei dem eine Vielzahl von Rohren in einem einzigen Gehäuse angeordnet ist. Die Rohre sind üblicherweise so angeordnet, daß sie eine Vielzahl von parallelen Strömungsbahnen durch den Wärmeaustauscher für ein zu kühlendes Strömungsmittel vorsehen. Die Rohre sind in ein Kältemittel eingetaucht, das durch das Gehäuse des Wärmetauschers strömt. Das Strömungs­ mittel wird durch Wärmeübertragung über die Wände der Rohre gekühlt. Hierdurch wird das in Kontakt mit den Außenflächen der Rohre stehende Kältemittel verdampft. Das Wärmeüber­ tragungsvermögen eines solchen Verdampfers wird zum großen Teil durch die Wärmeübertragungseigenschaften der Einzel­ rohre bestimmt.

Obwohl diese vorstehend erläuterte Ausführungsform der Erfindung hier beschrieben wird, ist die Erfindung in gleicher Weise zur Herstellung von Wärmeübertragungsflächen mit hohem Wirkungsgrad geeignet, die für andere Anwendungs­ fälle bestimmt sind.

Das Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche mit hohem Wirkungsgrad gemäß dieser einen Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Hier­ bei wird ein Kupferrohr 21 von links nach rechts bewegt und gleichzeitig um seine Längsachse gedreht. Bei dieser Aus­ führungsform wird die Außenfläche des Rohres 21, das zuerst durch Sandstrahlen oder irgendein geeignetes anderes Ver­ fahren (nicht gezeigt) gesäubert und vorbereitet wurde, unter Verwendung des METCO Thermo Spray-Verfahrens oder eines entsprechenden Verfahrens mit einem Gemisch aus pul­ verisierten Kupferpartikeln und Pulverpartikeln eines Kunststoffmateriales, wie beispielsweise Polymethylmetha­ crylat (d. h. Du Pont Lucite 4F), flammgespritzt, um einen Überzug 22 auf der Außenfläche des Rohres 21 auszubilden. Beim Flammspritzen wird ein Gemisch aus den beiden Pulvern 44 in eine Flammspritzpistole 41 eingeführt, die auf das Rohr 21 gerichtet wird. Das Pulvergemisch 44 wird durch ein Treibgas 42 aus einer Düse 42 der Pistole getrieben. Es wird ferner ein Brenngas 43 der Pistole 41 zugeführt, das aus der Düse 47 austritt und verbrennt. Die verbrennenden Gase 46 bewirken ein Schmelzen des Kupfers, jedoch nicht der Kunst­ stoffpulverpartikel, wenn diese auf der Außenfläche des Rohres 21 abgeschieden werden. Der sich somit auf der Außen­ fläche des Rohres 21 ausbildende Überzug 22 setzt sich aus Kupferpartikeln, die sowohl mit dem Rohr als auch unterein­ ander verschmolzen sind, als auch aus Partikeln des Kunst­ stoffmateriales zusammen, die in die geschmolzenen Kupfer­ partikel eingebettet sind. Das überzogene Rohr wird dann in einen Ofen 45 eingebracht, wo es auf einer geeigneten Tempe­ ratur und über eine geeignete Zeitdauer gebrannt wird, um eine vollständige Oxidation (in Wasserdampf und Kohlen­ dioxid) des Kunststoffmateriales und ein Ausdiffundieren dieses Materiales aus dem Überzug zu bewirken. Nach Be­ endigung des Brennvorganges verbleiben Leerräume im Über­ zug, wo vorher die Kunststoffpartikel eingebettet waren. An dieser Stelle wird ein Brennvorgang in einem Ofen beschrie­ ben; es können jedoch auch beliebige andere Einrichtungen zum Erhitzen der Kunststoffpulverpartikel auf eine Tempera­ tur, die ein Zersetzen der Partikel und ein Ausdiffundieren derselben aus dem Überzug bewirkt, Verwendung finden.

Fig. 2 zeigt in schematischer Weise ein Verfahren zur Her­ stellung einer Wärmeübertragungsfläche mit hohem Wirkungs­ grad gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird ebenfalls ein Kupferrohr 21 von links nach rechts bewegt und um seine Längsachse gedreht. Bei dieser Ausführungsform wird wie in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beschrieben, ein Überzug 22 auf die Außenfläche des Rohres 21 gebracht. Dann wird unter Verwendung einer zweiten Flammspritzpistole 51 und im übrigen des gleichen Verfahrens sowie der gleichen Vor­ richtung wie vorher beschrieben ein zweites Gemisch 52 aus Pulvern durch Flammspritzen auf das Rohr 21 aufgebracht, um über dem ersten Überzug 22 einen zweiten Überzug 31 her­ zustellen. Natürlich kann auch dieselbe Flammspritzpistole zur Aufbringung von beiden Überzügen verwendet werden. Das überzogene Rohr wird dann wie vorher in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren beschrieben erhitzt. Das zweite Pulvergemisch 52 setzt sich ebenfalls aus pulveri­ sierten Kupferpartikeln und pulverisierten Partikeln eines Kunststoffmateriales, wie beispielsweise Polymethylmetha­ crylat, zusammen, unterscheidet sich jedoch von dem für den ersten Überzug verwendeten Pulvergemisch dadurch, daß die Anteile des Kupfer- und Kunststoffpulvers im Gemisch und die Größe der Pulverpartikel derart gewählt sind, daß nach dem Ausbrennen des Kunststoffs aus im Überzug eine Hohlraum­ struktur im zweiten Überzug mit dem Vergleich zur Struktur des ersten Überzuges feineren oder kleineren Poren entsteht. Hieraus resultiert eine Wärmeübertragungsfläche, die rela­ tiv größere Verbindungskanäle unterhalb der Oberfläche mit relativ kleineren Poren oder Hohlräumen an der Oberfläche aufweist.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Herstellverfahren kann eine poröse Wärmeübertragungsfläche mit hohem Wirkungs­ grad auf anderen Arten von Wärmeübertragungsflächen, wie beispielsweise Platten, erzeugt werden, wobei andere Metalle, wie beispielsweise Aluminium, als das Substrat verwendet werden können. Das im Spritzpulvergemisch oder entsprechenden Gemischen verwendete metallische Pulver kann die gleiche metallische Zusammensetzung besitzen wie das Substrat, kann jedoch auch aus einem unterschiedlichen Metall bestehen, d. h. Aluminium auf Kupfer.

Die Größe der Partikel aus dem metallischen und nicht­ metallischen Pulver, die Anteile der beiden Pulver im Spritzpulvergemisch und die Frage, ob das Verfahren mit einem Überzug oder mit zwei Überzügen verwendet wird, sind Variablen, die geändert werden können, um eine spezielle Ausführungsform einer Wärmeübertragungsfläche herzustellen, die für eine spezielle zu siedende Flüssigkeit auf der Basis des Siedepunktes und der Strömungseigenschaften dieser Flüs­ sigkeit optimal sind.

Das erfindungsgemäße Herstellverfahren stellt eine einfache und kostenwirksame Methode zur Herstellung einer Wärmeüber­ tragungsfläche mit hohem Wirkungsgrad dar und vermeidet komplizierte mechanische Prozesse und die Verwendung von gefährlichen und korrosiven Chemikalien, die beim Stand der Technik eingesetzt werden. Wenn das Verfahren bei der Her­ stellung von Wärmeaustauschrohren verwendet wird, kann es in der schnell ablaufenden Produktion von großen Mengen an hochwirksamen Rohren eingesetzt werden.

Polymethylmethacrylatpulver ist besonders geeignet als nichtmetallischer Bestandteil des Pulverspritzgemisches, da die beim Zersetzen der Pulverpartikel während des Brennvor­ ganges erzeugten und aus dem Überzug ausdiffundierenden Gase ungiftig sind und die Umwelt nicht schädigen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungs­ fläche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Flammspritzen eines ein Gemisch aus Partikeln eines Metall­ pulvers und eines Polymethylmethacrylatpulvers enthaltenden Überzuges auf ein metallisches Substrat, so daß die Teile der Partikel des Metallpulvers mit dem metallischen Substrat und miteinander verschmolzen werden und die Partikel des Polymethylmethacrylatpulvers zwischen den Partikeln des Metallpulvers kleine Zwischenräume bilden; und
Erhitzen des Überzuges, um die Partikel des Polymethyl­ methacrylatpulvers vom Überzug zu entfernen und somit an Stellen, die vorher von den Partikeln des Polymethylmetha­ crylatpulvers besetzt waren, Leerräume auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Flammspritzen eines zweiten Überzuges, der ein zweites Ge­ misch aus Partikeln aus Metallpulver und Polymethylmetha­ crylatpulver enthält, auf den ersten Überzug, so daß Teile der Partikel des Metallpulvers des zweiten Gemisches mit dem Überzug und miteinander verschmolzen werden und die Partikel des Polymethylmethacrylatpulvers des zweiten Gemisches zwischen den Partikeln des Metallpulvers des zweiten Ge­ misches kleine Zwischenräume bilden.

3. Wärmeübertragungssfläche hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2.