EP1318371A2

EP1318371A2 - Wärmeübertragungsfläche mit einer aufgalvanisierten Mikrostruktur von Vorsprüngen

Info

Publication number: EP1318371A2
Application number: EP02027031A
Authority: EP
Inventors: Dieter Dr. Gollan; Jovan Prof. Dr.-Ing Mitrovic; Andreas Dr. Schulz; Helmut Pietsch
Original assignee: SDK-Technik GmbH; SDK Technik GmbH
Current assignee: MICRYON TECHNIK GMBH
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2003-06-11
Anticipated expiration: 2022-12-03
Also published as: DE50211546D1; EP1318371A3; US6736204B2; PT1318371E; ATE384237T1; US20030136547A1; EP1318371B1; DE10159860A1; DE10159860C2; ES2300414T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsfläche (3) auf rohr- oder plattenförmigen Körpern (4) mit einer aus der Grundfläche (3a) herausragenden Mikrostruktur (7) von Vorsprüngen (6), die mit einer Mindesthöhe von 10 µm auf die Grundfläche (3a) galvanisiert sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsfläche (3) dieser Art zu schaffen, die sich bei möglichst niedrigen Temperaturdifferenzen mit einem optimalen thermischen Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der thermischen Leistung ihrer wärmeübertragenden Flächen (3) auszeichnet und sich mit einem vertretbaren Herstellungsaufwand sowohl für eine Blasenverdampfung als auch für die Filmkondensation eignet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grundfläche (3a) ganz oder teilweise mit Vorsprüngen (6) bedeckt ist, daß diese Vorsprünge (6) in Form von geordneten Mikrostrukturen (7) aufgebracht sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (6c) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zwischen 30° und 90° zur Grundfläche (3a) erstreckt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsfläche auf rohroder plattenförmigen Körpern mit einer aus der Grundfläche herausragenden Mikrostruktur von Vorsprüngen, die mit einer Mindesthöhe von 10 µm auf die Grundfläche galvanisiert sind sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wärmeübertragungsflächen.

Dem Stand der Technik entsprechend kommen Wärmeübertragungsflächen in Verdampfern und Kondensatoren in vielfältigen Größen und Formen vor. Ihre konstruktive Gestaltung hängt von der Art der Verdampfung (Konvektions-, Blasen-, Filmverdampfung) und der Kondensation (Tropfen- oder Filmkondensation) ab.

Dem Bereich der Blasenverdampfung kommt die größte Bedeutung zu. Die Bildung von Dampfblasen findet dabei an den Wärmeübertragungsflächen statt. Das Wachstum, die Größe sowie die Anzahl der Blasen je Wärmeübertragungsfläche und Zeiteinheit werden im wesentlichen von drei Parametern bestimmt:

a) von den Eigenschaften der siedenden Flüssigkeit,

b) vom Material der Heizwand sowie der Struktur der Heizfläche,

c) von der Wärmestromdichte.

Damit in einer Flüssigkeit Dampfblasen entstehen und wachsen können, müssen bestimmte physikalische Bedingungen erfüllt sein. Die Modellvorstellungen zur Beschreibung dieser Bedingungen gehen in der Regel von einer homogenen Keimbildung aus, die ihrerseits meistens auf Dichtefluktuationen zurückgeführt wird. Einmal entstanden, verlangt eine Dampfblase eine Umgebung, die ihr ein Wachstum ermöglicht. Aus einer einfachen Gleichgewichtsanalyse ergibt sich bei der Verdampfung folgender Zusammenhang:

Darin bedeuten:

r =: den Blasenradius,
σ =: die Oberflächenspannung der Flüssigkeit,
Δh =: die Verdampfungsenthalpie,
=: die Dampfdichte,
T =: die Flüssigkeitstemperatur,
T∞ =: die Gleichgewichtstemperatur an einer ebenen Phasengrenze.

Die Temperaturdifferenz T - T∞ kann somit als mindesterforderliche Überhitzung der siedenden Flüssigkeit bei der vorliegenden Blasengröße mit dem Radius r gedeutet werden. Sie kann dadurch herabgesetzt werden, daß Blasen großer Abmessungen - also mit großem r - durch geeignete Eingriffe erzeugt werden. Dabei kommt der aufheizenden Wärmeübertragungsfläche eine zentrale Bedeutung zu. Eine günstige Gestaltung dieser Wärmeübertragungsfläche kann die Effizienz des Wärmetransports beim Sieden erheblich steigern. Gewünscht wird dabei eine Wärmeübertragungsfläche mit einer Mikrostruktur, die bei einer möglichst niedrigen Temperaturdifferenz zu einer möglichst hohen Blasendichte mit großem Blasenradius führt. Dies ist eine Voraussetzung für eine effiziente Übertragung der Wärme von der Wärmeübertragungsfläche an das Fluid.

Hierzu sind grundsätzlich Mikrostrukturen mit Hohlräumen geeignet, die nach dem Abreißen der Blasen nicht durch die umgebende Flüssigkeit geflutet werden. Die in den Hohlräumen gebildeten Dampfblasen expandieren während der Wachstumsphase in das an die Wärmeübertragungsfläche grenzende Fluid und reißen bei Überschreiten einer systembedingten kritischen Größe von dieser Wärmeübertragungsfläche in der Art ab, daß Dampfreste in den Hohlräumen zurückbleiben und als Keime für Folgeblasen dienen.

Im Bereich der Kondensation begegnet man im wesentlichen der Filmkondensation in Wärmeübertragungsvorrichtungen. Hierbei gilt es vornehmlich, die kühlende Wärmeübertragungsfläche vom dickeren Kondensatfilm freizuhalten, wobei auch sie mit geeigneten Mikrostrukturen versehen werden soll. Die treibende Kraft für das Abfließen des Kondensats kann mit dem Kapillardruck Δp Δp = 2σr verknüpft werden, worin σ die Oberflächenspannung und r den Krümmungsradius der Phasengrenze darstellt.

Aus den US-Patentschriften 4 288 897, 4 129 181 und 4 246 057 sind Mikrostrukturen als Wärmeübertragungsflächen auf rohrförmigen Körpern bekannt geworden, wobei Glattrohre mit Schaumstoffauflagen aus Polyurethan mit einer Dicke von ungefähr 0,00025" bis 0,0025" (ca. 6,35µm bis 63,5µm) umwickelt werden, deren offene Porenstrukturen zunächst in einem chemischen Verfahren metallisiert werden. Anschließend wird das Rohr mit dem metallisierten Polyurethanmantel als Kathode und die Grundfläche des Rohres als Anode geschaltet und die galvanische Abscheidung in Gang gesetzt. Der Elektrolyt durchdringt den Schaumstoff bis zur Rohrmantelfläche und ermöglicht sowohl eine gleichzeitige Abscheidung der Metallionen am Rohr als auch im Inneren der Schaumstoffstruktur. Nach Erreichen einer angemessenen Schichtdicke wird der galvanische Prozeß abgebrochen und das Schaumstoffmaterial durch Ausbrennen (Pyrolyse) entfernt. Zurück bleibt auf der Grundfläche eine poröse metallische Struktur, die stark vernetzt und vermascht ist. Sie enthält völlig unregelmäßige Dicken der Stege sowie völlig unterschiedliche Hohlräume und damit völlig unregelmäßige, ungeordnete Strukturen, wodurch die Bildung von Dampfblasen, beispielsweise bei der Verdampfung, dem Zufall überlassen bleibt. Bei der Kühlung können in den mikrofeinen Hohlräumen zurückbleibende Verunreinigungen im Kältemittel zu einer erheblichen Verschlechterung des Wärmeüberganges führen.

Aus der US-PS 4 219 078 ist eine Wärmeübertragungsfläche bekannt geworden, bei welcher eine poröse, um ein Rohr zu wickelnde Folie Kupferpartikel mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm enthält, die sich mehrschichtig auf der Grundfläche aufbauen und durch einen galvanischen Prozeß zu einer gesamten Oberflächenstruktur verbunden werden. Diese weist zwar eine gewisse Regelmäßigkeit auf, kann jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, daß eine Blasenbildung durch die Mehrschichtigkeit der Partikel eher behindert als gefördert wird. Auch hinsichtlich einer Filmkondensation wirken die zahlreichen Hohlräume einer effektiven Wärmeübertragungsleistung entgegen.

Um Wärmeübertragungsflächen porös zu gestalten und somit hinsichtlich ihrer Oberfläche mit einer gewissen Gleichmäßigkeit in geordneter Struktur zu versehen, werden häufig gattungsfremde mechanische Bearbeitungsverfahren herangezogen, die z.B. in der DE 197 57 526 C1, in der US-PS 4 577 381, in der DE 27 58 526 A1 und in der EP 0 713 072 offenbart sind.

So wurden beispielsweise die in der DE 197 57 526 C1 und in der EP 0 057 941 offenbarten Rohre mit speziellen Walz- und Stauchwerkzeugen bearbeitet, um eine spezielle, sehr rauhe, rändelartige Oberflächenstruktur zu erreichen. Diese Oberflächenstruktur befindet sich jedoch nicht im Mikrobereich, sondern im Millimeterbereich, wobei die Dicke der Rippen ca. 0,1 mm und ihre Teilung etwa 0,41 mm bei einem Rohrdurchmesser von 35 mm betragen kann, was keiner gattungsgemäßen Mikrostruktur entspricht. Die unter der Grundfläche befindlichen kanalförmigen Hohlräume können zwar die Blasenbildung bei der Verdampfung anregen, wirken aber einer Freihaltung der Kühlflächen bei einer Filmkondensation entgegen. Ganz Entsprechendes gilt auch für die Gegenstände der weiterhin vorgenannten Druckschriften.

Neben diesem vorgenannten Stand der Technik gibt es noch eine Reihe von Beschichtungsarten mittels Sintertechnik, Sprayertechnik, Flammenspritzen und Sandstrahlung. All diese Verfahren sind gattungsfremd und haben nicht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen vermocht.

Denn der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsfläche der eingangs genannten Gattung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmeübertragungsfläche zu schaffen, die sich bei möglichst niedrigen Temperaturdifferenzen T - T∞ und einem optimalen thermischen Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung ihrer wärmeübertragenden Flächen auszeichnet und sich bei einem vertretbaren Herstellungsaufwand sowohl für eine Blasenverdampfung als auch für eine Filmkondensation eignet.

Diese komplexe Aufgabe wird hinsichtlich der Wärmeübertragungsfläche in Verbindung mit dem eingangs genannten Gattungsbegriff dadurch gelöst, daß die Grundfläche ganz oder teilweise mit Vorsprüngen bedeckt ist, daß diese Vorsprünge in Form von geordneten Mikrostrukturen aufgebracht sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Grundfläche erstreckt. Durch diese Merkmale wird erstmalig eine Wärmeübertragungsfläche im Mikrostrukturbereich geschaffen, deren Vorsprünge stiftförmig ausgebildet und sich mit ihrer Längsachse senkrecht oder quer zur Grundfläche erstrecken. Dadurch können sich in den dazwischen befindlichen Mikrobereichen ungehindert Dampfblasen entwickeln, die bei einer mindesterforderlichen Überhitzung der siedenden Flüssigkeit bei einer Temperaturdifferenz T - T∞ Blasen großer Abmessungen entstehen lassen, nach deren Abriß in den offenen Hohlräumen neue Dampfblasen keimen und expandieren, so daß nicht nur eine hohe Blasendichte, sondern auch eine hohe Blasenfrequenz gewährleistet ist.

Ferner können die sowohl nach außen als auch zwischen den einzelnen stiftförmigen Vorsprüngen völlig offenen Hohlräume eine hervorragende Filmkondensation gewährleisten, wobei der Film stets in sämtlichen Richtungen gleichmäßig ungehindert abströmen kann. Dadurch kann ein ausgezeichneter thermischer Wirkungsgrad sowie ein ungewöhnlich großer Wärmetransport dieser so gestalteten Wärmeübertragungsflächen sichergestellt werden. Dabei läßt die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsfläche auch zu, die Flächendichte und die Dicke der stiftförmigen Vorsprünge je nach der Viskosität des beaufschlagenden Fluids zu variieren, nämlich zwischen 10²/cm² und 10⁸/cm² bei einer Dicke zwischen 100 µm und 0,2 µm. Die große Porosität dieser Mikrostruktur begünstigt beim Blasensieden entscheidend den Wärmeübertragungsvorgang.

Ebenso wird im Bereich der Kondensation nunmehr eine Wärmeübertragungsfläche geschaffen, die für eine effektive Wirkung der Oberflächenspannung o sorgt und den Wärmetransport begünstigt. Zur Erzielung einer hohen Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragungsleistung ist es vorteilhaft, die Länge der Stiftform auf ein und derselben Wärmeübertragungsfläche konstant zu halten. Diese Länge der Stiftform kann je nach Größe und spezifischer Funktion der Wärmeübertragungsfläche zwischen 10 µm und 195 µm liegen.

Vorteilhaft wird auch die Außenkonfiguration der Stiftform bei ein und derselben Wärmeübertragungsfläche gleich gestaltet. Die Dicke der Stiftform kann dabei zwischen 0,2 µm und 100 µm liegen.

Ferner ist es vorteilhaft, die lichte Weite zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen bei ein und derselben Wärmeübertragungsfläche regelmäßig zu gestalten. Diese lichte Weite kann zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen je nach gewünschter Wärmeübertragungsfläche und beaufschlagendem Fluid zwischen 0,6 µm und 1000 µm liegen.

Auch bei der speziellen Ausbildung der stiftförmigen Vorsprünge läßt die Erfindung zahlreiche Ausführungsformen zu.

So weisen nach einer ersten Ausführungsform die stiftförmigen Vorsprünge die Form einer zylindrischen Säule auf. Nach einer zweiten Ausführungsform sind die stiftförmigen Vorsprünge als Kegel oder Kegelstumpf gestaltet. Nach einer dritten Ausführungsform können die stiftförmigen Vorsprünge aus mehreren aufeinandergesetzten Kegelstümpfen bestehen.

Nach einer vierten Ausführungsform sind die stiftförmigen Vorsprünge mit einem zylindrischen Ständer versehen, dessen freies Ende eine Pilzform aufweist.

Und schließlich - jedoch nicht abschließend - bilden die stiftförmigen Vorsprünge einen zylindrischen Ständer, dessen freies Ende mit einer Kugel- oder einer Teilkugelform versehen ist.

Aufgrund der Mikrostruktur lassen sich die stiftförmigen Vorsprünge auf praktisch sämtlichen plattenförmigen oder rohrförmigen oder ähnlichen Körpern aufbringen. Die rohrförmigen Körper sollten jedoch mindestens einen Innen- oder Außendurchmesser von 2 mm aufweisen.

Die Herstellung der vorbeschriebenen Wärmeübertragungsflächen geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche auf rohr- oder plattenförmigen Körpern mit einer über eine Grundfläche hervorragenden Mikrostruktur mit einer Mindesthöhe von 10 µm von aufgalvanisierten Vorsprüngen, wobei die Grundfläche mit einer Kunststoffolie belegt und galvanisiert wird, wie sie in den US-Patentschriften 4 288 897, 4 129 181, 4 246 057 und 4 219 078 beschrieben worden ist.

Verfahrenstechnisch wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in Verbindung mit dem vorgenannten Gattungsbegriff dadurch gelöst, daß eine mit Mikroporen versehene Polymermembran als Kunststoffolie flächendeckend auf die Grundfläche aufgebracht wird und im anschließenden Galvanisierungsprozeß der die Grundfläche tragende Körper als eine der Elektroden geschaltet wird und nach Erreichen der gewünschten Länge und Form der sich in den Mikroporen bildenden stiftförmigen Vorsprünge der Galvanisierungsprozeß unterbrochen und sodann die Polymermembran entfernt wird.

Durch die Form, die Dicke der Polymermembran, die Verteilung und Größe der Mikroporen in dieser Membran hinsichtlich ihrer Flächendichte sowie durch die Länge des Galvanisierungsprozesses lassen sich die vorbeschriebenen stiftförmigen Vorsprünge, die in ihrer Gesamtheit die geordnete Mikrostruktur auf der Grundfläche der Wärmeübertragungsfläche bilden, je nach den Erfordernissen des Wärmeübertragungsvorganges hinsichtlich der spezifischen Eigenschaften des Fluids (Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Oberflächenspannung) so bestimmen, wie es der jeweilige Verdampfungs- oder Kondensationsprozeß erfordert.

Dabei wird in besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung als Membran eine Ionenspurmembran, auch Kernspurfilter genannt, verwendet, wobei die Mikroporen in der Membran durch Ionenbestrahlung sowie durch einen anschließenden Ätzprozeß mittels einer Lauge, beispielsweise eine NaOH-Lauge, gebildet werden.

Nach Abschluß des Galvanisierungsprozesses, d.h. nach endgültiger Bildung der gewünschten Form und Länge der stiftförmigen Vorsprünge wird die Membran gestrippt und dadurch die gesamte Wärmeübertragungsfläche freigelegt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 die Schnittansicht durch eine Ionenspurfolie mit durchgehenden Mikroporen nach der Bestrahlung und dem Ätzprozeß,

Fig. 2 die Draufsicht von Fig. 1,

Fig. 3 den Querschnitt durch einen Körper nach dem Aufbringen der Ionenspurmembran von Fig. 1,

Fig. 4 die Draufsicht von Fig. 3,

Fig. 5 den Querschnitt von Fig. 3 nach dem Beginn der galvanischen Abscheidung mit der Bildung der stiftförmigen Vorsprünge in den Mikroporen,

Fig. 6 die Draufsicht von Fig. 5,

Fig. 7 den Querschnitt von Fig. 5 nach einem längeren Galvanisierungsprozeß und der Bildung von Halbkugeln bzw. Pilzen am Ende der stiftförmigen Vorsprünge,

Fig. 8 die Draufsicht von Fig. 7,

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Körper mit den aus seiner Grundfläche herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen nach dem Strippen der Ionenspurfolie,

Fig. 10 die Draufsicht von Fig. 9,

Fig. 11 die Ansicht von Fig. 7 nach dem Strippen der Ionenspurfolie,

Fig. 12 die Draufsicht von Fig. 11,

Fig. 13 die flächendeckende Umwicklung eines rohrförmigen Körpers mit einer geätzten Ionenspurmembran,

Fig. 14 die perspektivische Draufsicht auf einen plattenförmigen Körper mit aus seiner Grundfläche herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen in Form von mehreren aufeinandergesetzten Kegelstümpfen,

Fig. 14a die perspektivische Draufsicht auf einen plattenförmigen Körper mit senkrecht aus seiner Grundfläche herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen in Form von Zylindern,

Fig. 14b die perspektivische Draufsicht auf einen plattenförmigen Körper mit unter einem Winkel von etwa 60° aus seiner Grundfläche herausragenden, stiftförmigen Vorsprüngen in Form von Zylindern,

Fig. 15 die perspektivische Ansicht eines kreiszylindrischen Rohres mit auf seiner Außenmantelfläche als Grundfläche aufgebrachten Mikrostruktur,

Fig. 16 die Ausschnittsvergrößerung XVI von Fig. 15 mit drei unterschiedlichen Phasen der Blasenbildung,

Fig. 17 die perspektivische, fotografische Ansicht eines Teilausschnittes eines Körpers mit einer aufgebrachten Mikrostruktur in Form von stiftförmigen Vorsprüngen,

Fig. 18 die perspektivische, fotografische Ansicht auf einen Teilausschnitt eines Körpers mit einer aus seiner Grundfläche herausragenden Mikrostruktur in Form von stiftförmigen Vorsprüngen, deren freies Ende eine Pilzform aufweist und

Fig. 19 die Ansicht von Fig. 18 in ca. fünffacher Vergrößerung.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird zunächst eine Polymerfolie 1 mit schnellen, schweren Ionen bestrahlt, deren Energien bis zu mehreren MeV/Nukleon betragen können. Die durchdringenden Ionen hinterlassen in ihrem Einflußbereich eine veränderte Struktur der Polymerfolie, die sogenannte latente Ionenspur (Track). Diese Struktur zeigt eine erhöhte Reaktionsfreudigkeit gegenüber alkalischen Lösungen, wie z.B. einer NaOH-Lauge. Setzt man eine derart bestrahlte Polymerfolie der Wirkung einer Lauge aus, dringt diese entlang der Spur in die Polymerfolie mit einer bestimmten Geschwindigkeit ein, während an der unbestrahlten Oberfläche 1a das Eindringen der Lauge in die Polymerfolie 1 um Größenordnungen langsamer voranschreitet. Die Bewegung der Lauge entlang der Ionenspur bewirkt einen Ätzprozeß, der zur Bildung von Mikroporen 2 der Polymerfolie 1 führt, deren Dicke in Abhängigkeit vom gewählten Ätzregime zwischen 0,2 µm und 100 µm liegen kann.

Die so präparierte Ionenspurmembran 1 wird gemäß den Fig. 3 und 4 auf eine Wärmeübertragungsfläche als Grundfläche 3a eines rohr- oder plattenförmigen Körpers 4 flächendeckend oder nur partiell aufgebracht.

Sodann erfolgt gemäß den Fig. 5 und 6 die galvanische Behandlung des mit der Ionenspurmembran 1 versehenen rohr- oder plattenförmigen Körpers 4 dadurch, daß der die Grundfläche 3a tragende Körper 4 als eine der Elektroden geschaltet wird. Die galvanische Abscheidung findet zunächst an der gesamten, vom Elektrolyten benetzten Oberfläche statt. Nach einer relativ kurzen Zeitdauer, die im wesentlichen von der Rauhigkeit der Ionenspurmembran 1 abhängt, wird diese galvanische Abscheidung nur auf die von den Mikroporen 2 freigelassenen Oberflächenbereiche 5 beschränkt (siehe Fig. 3).

Dadurch bilden sich die aus den Fig. 5 und 6 ersichtlichen, stiftförmigen Vorsprünge 6 in den Mikroporen 2.

Die Form der dabei entstehenden stiftförmigen Vorsprünge 6 der Mikrostruktur 7 (siehe Fig. 14) hängt von der Form der Mikroporen 2, deren gegenseitigen Anordnung sowie entscheidend von der Dauer des Galvanisierungsprozesses ab. Ein kurzer Galvanisierungsprozeß führt zu stiftförmigen Vorsprüngen 6, deren Länge L kleiner als die Dicke D der von der Ionenspurmembran 1 gebildeten Polymerfolie ist, so wie Fig. 5 zeigt.

Bei längerem Galvanisierungsprozeß erreichen die Spitzen dieser stiftförmigen Vorsprünge 6 die Oberfläche 6a der Ionenspurmembran 1, wo sie sich frei, meist in Form von Kugeln, Kalotten, Halbkugeln oder Pilzen 8, weiterentfalten können. Dies ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt.

Bei einem rechtzeitigen Abbruch des Galvanisierungsprozesses können die Spitzen 6a die Oberfläche 1a der Ionenspur 1 erreichen und haben dann eine Länge L, die der Dicke D der Ionenspurmembran 1 entspricht; dies ist in den Fig. 9 und 10 in Verbindung mit Fig. 5 dargestellt.

Nach dem Strippen der Ionenspurmembran 2 von Fig. 7 entsteht ein Körper 4 gemäß den Fig. 11 und 12 mit seine Grundfläche 3a bedeckenden, stiftförmigen Vorsprüngen 6, deren freies Ende eine Pilzform 8 aufweist. Dieses Strippen bzw. Abätzen der Ionenspurmembran 2 erfolgt nach Abschluß des Galvanisierungsprozesses, wodurch die metallische Mikrostruktur 7 freigelegt wird (siehe Fig. 9 und 11).

Fig. 13 illustriert die Umwicklung eines rohrförmigen Körpers 4 mit einer streifenförmigen Ionenspurmembran 1, in welcher durch einen Ätzprozeß offene Mikroporen 2 eingebracht sind.

Fig. 14 zeigt auf einem plattenförmigen Körper 4 eine Mikrostruktur 7 von stiftförmigen Vorsprüngen 6, die sich aus mehreren kegelstumpfförmigen Teilabschnitten 9 zusammensetzen, die senkrecht aus der Grundfläche 3a herausragen.

Fig. 14a zeigt die perspektivische Draufsicht auf einen plattenförmigen Körper 4, mit einer Mikrostruktur 7 von stiftförmigen Vorsprüngen 6 in Zylinderform, die senkrecht aus der Grundfläche 3a herausragen. Diese Mikrostruktur 7 entspricht der zu den Fig. 9 und 10 beschriebenen.

Fig. 14b zeigt einen plattenförmigen Körper 4 mit einer Mikrostruktur 7 von stiftförmigen Vorsprüngen 6, die aus der Grundfläche 3a hervorragen und zu dieser unter einem Winkel α von 60° geneigt sind.

Nach dem Strippen der Ionenspurmembran 1 kommt je nach Form und Höhe der Mikroporen 2 sowie der Dauer des Galvanisierungsprozesses eine Mikrostruktur 7 zum Vorschein, deren stiftförmige Vorsprünge 6 eine zylindrische Form (z.B. gemäß Fig. 5 und 9) oder eine Pilzform (siehe Fig. 7 und 11) oder eine Kegelform oder eine Kegelstumpfform oder eine solche von mehreren aufeinandergesetzten Kegelstümpfen 9 gemäß Fig. 14 aufweisen. An ihrem freien Ende können die stiftförmigen Vorsprünge 6 auch mit einer Halbkugel, einer Kugel oder einer Kalottenform versehen sein.

Der rohrförmige Körper 4 gemäß Fig. 13 soll zur Ermöglichung einer derartigen Mikrostruktur 7 einen Außen- oder Innendurchmesser D_a, D_i von mindestens 2 mm aufweisen. Die Dicke d (siehe Fig. 9) der stiftförmigen Vorsprünge 6 hängt im wesentlichen von der Weite w (siehe Fig. 1) der Mikroporen 2 ab. Es wird bewußt nicht von Durchmessern, sondern von "Dicke" und "Weite" gesprochen, weil ein Durchmesser stets einen Kreisdurchmeser bedeutet, was im vorliegenden Fall aufgrund der Rauhigkeit der stiftförmigen Vorsprünge 6 an ihrer Außenoberfläche 6b nur bedingt der Fall ist. Auch die Mikroporen 2 weisen entgegen der zeichnerischen Darstellung keineswegs eine Kreisform auf.

Da die Länge L der Vorsprünge 6 dem gleichen Galvanisierungsprozeß und damit der gleichen Galvanisierungszeit unterzogen sind, sind sie auf ein und derselben Grundfläche 3a im wesentlichen konstant. Dabei kann die Länge L der stiftförmigen Vorsprünge 6 je nach Größe und spezifischer Funktion der Wärmeübertragungsfläche 3 zwischen 10 µm und 195 µm liegen.

Die Dicke d (siehe Fig. 9 und 11) kann zwischen 100 µm und 0,2 µm liegen, wodurch sich entsprechend pro Flächeneinheit eine Anzahl von stiftförmigen Vorsprüngen 6 von 10²/cm² bis 10⁸/cm² ausbilden kann. Erfindungswesentlich ist ferner, daß sich die stiftförmigen Vorsprünge 6 mit ihrer Längsachse 6c (siehe Fig. 7 und 9) etwa senkrecht oder unter einem Winkel zwischen 30° und 90° zur Grundfläche 3a erstrecken.

Von der Weite w der Mikroporen 2 ist die lichte Weite W zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 gemäß Fig. 1 und 7 zu unterscheiden. Diese lichte Weite W liegt je nach gewünschter Wärmeübertragungsfläche 3 zwischen 0,6 µm und 1000 µm.

Je nach der Dauer des Galvanisierungsprozesses, der Dicke D der Ionenspurmembran 1, der Weite w der Mikroporen 2 und des lichten Abstandes W zwischen den Mikroporen 2 und damit den stiftförmigen Vorsprüngen 6 entsteht eine mit einer Mikrostruktur 7 versehene Wärmeübertragungsfläche 3, die sich insbesondere in Prozessen der Phasenumwandlung als Wärmeübertragungsfläche 3 empfiehlt. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß sich die ursprüngliche Grundfläche 3a durch die hinzutretende Oberfläche der stiftförmigen Vorsprünge 6 erheblich vergrößert. Aus diesem Grunde wird unter der Wärmeübertragungsfläche 3 nicht die Grundfläche 3a des rohroder plattenförmigen Körpers 4 verstanden, sondern die gesamte Wärmeübertragungsfläche, das heißt einschließlich der Gesamtoberfläche der Mikrostruktur 7.

Um die Wirkungsweise dieser Wärmeübertragungsfläche 3 zu verdeutlichen, wird nachfolgend auf die Fig. 15 und 16 Bezug genommen. Der rohrförmige Körper 4 wird beispielsweise auf seiner Innenseite 10 von einem heißen Fluid durchströmt, welches sich vom Anfang A des Körpers 4 zum Ende E von einer Eingangstemperatur T₀ auf eine Ausgangstemperatur T₁ abkühlt. Die mit einer Mikrostruktur 7 und stiftförmigen Vorsprüngen 6 versehene Außenseite 11 des rohrförmigen Körpers 4 soll beispielsweise von einer Flüssigkeit beaufschlagt werden. Dabei bilden gemäß Fig. 16 die Vorsprünge 6 der Mikrostruktur 7 eine Pilzform. Gemäß der Phase I keimt in der Nähe der Grundfläche 3a eine Blase auf, die stetig mit der Temperaturdifferenz T₀ - T₁ wächst, die lichte Weite W zwischen zwei Vorsprüngen 6 durchdringt und dort eine kleine Blase 12 bildet. In der Phase II ist diese Blase 12 auf eine mittelgroße Blase 13 gewachsen. In der Phase III weist die Blase 14 einen großen Radius r auf und reißt kurze Zeit später an der Stelle 15 ab. Da zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 stets ein Keim 16 verbleibt, kann der Zwischenraum zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 nicht von der Flüssigkeit geflutet werden. Dieser Keim 16 führt gemäß der Phase I zur Bildung einer erneuten Blase 12. Der Blasenradius r gemäß der Phase III kann zwischen 2 µm und 10 µm liegen, wenn beispielsweise die lichte Weite W zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 6 und deren Länge L entsprechend ausgebildet sind (siehe auch hierzu Fig. 7 und 9).

Da zwischen der mindesterforderlichen Überhitzung T - T∞ der siedenden Flüssigkeit auf der Außenseite 11 und dem Blasenradius r die Abhängigkeit besteht, daß mit größer werdendem Blasenradius r die mindesterforderliche Überhitzung T - T∞ abnimmt, wird deutlich, daß die Wärmeübertragung aufgrund der Mikrostruktur 7 nicht nur wegen der Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche, sondern auch wegen der vorbeschriebenen physikalischen Gegebenheiten der Blasenbildung erheblich ansteigt. Dabei ist gemäß Fig. 16 mit T die Temperatur innerhalb der Blasen 12, 13, 14 und mit T∞ die Temperatur im weiter davon entfernten Dampfraum bezeichnet.

Ganz entsprechendes gilt bei Kühlprozessen für die Filmkondensation. Um die Wirkung des Kapillardruckes nach der in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Gleichung II zu verdeutlichen, soll ein stiftförmiger Vorsprung 6 angenommen werden, der mit einer Kondensathaut überzogen ist. Bei einer durchmesserförmigen Weite w von 20 µm = 2r = D und einer Oberflächenspannung σ = 10 mN/m ergibt sich Δp = L x 10³ = 2000 Pa. Wenn ferner eine Länge L des stiftförmigen Vorsprunges 6 von 1 mm angenommen wird, so ergibt sich das treibende Druckgefälle im Kondensatfilm in diesem Fall zu Δp/L = 2 x 10⁶ Pa/m, was die entsprechenden Werte im Bereich der üblichen einphasigen Strömungen bei weitem übersteigt.

Die Fig. 17 bis 19 zeigen eine Wärmeübertragungsfläche 3 mit stiftförmigen Vorsprüngen 6 in stochastischer Ordnung auf einem Körper 4, wobei der Längenmaßstab für eine Strecke von 20 µm eingeblendet ist. Man erkennt deutlich die Rauhigkeit der stiftförmigen Vorsprünge 6 sowohl an ihrem freien Ende als auch an ihrer Mantelfläche 6b.

Die Fig. 18 und 19 zeigen eine Wärmeübertragungsfläche 3 mit stiftförmigen Vorsprüngen 6 in stochastischer Ordnung, deren freies Ende eine Pilzform 8 aufweist. Der jeweilige Längenmaßstab von 50 µm und 5 µm ist in die Darstellung eingeblendet. Man erkennt deutlich in sämtlichen Fig. 17 bis 19, daß bei den ausgeführten Ausführungsformen die Vorsprünge 6 in Form von geordneten Mikrostrukturen 7 aufgebracht sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse 6c etwa senkrecht zur Grundfläche 3a erstreckt (siehe Fig. 5 bis 12). Dabei versteht es sich, daß je nach Ausbildung der Ionenspurmembran 1 die Vorsprünge 6 die Grundfläche 3a ganz oder teilweise bedecken können.

Beim Blasensieden wirkt sich die aus den Fig. 17 bis 19 ersichtliche Porosität der Mikrostruktur 7 entscheidend auf den Wärmeübergang aus.

Die Anwendung des vorbeschriebenen Herstellungsverfahrens ermöglicht es, die Anzahl der stiftförmigen Vorsprünge 6 pro Flächeneinheit und die Anordnung der stiftförmigen Vorsprünge 6 und damit die Porosität der Mikrostruktur 7 durch Variation der Dichte der Bestrahlungsionen auf die Polymermembran 1 den Bedingungen des Blasensiedens in einer stochastischen, jedoch geordneten Weise unter Beachtung des Ätzregimes zu verknüpfen. Infolgedessen lassen sich optimale Bedingungen zum Blasensieden durch die Gestaltung der Wärmeübertragungsfläche 3 im Mikrobereich realisieren, was mit sämtlichen spanabhebenden, mechanischen Verfahren nicht möglich ist.

Im Bereich der Kondensation können nach dem vorbeschriebenen Galvanisierungsverfahren Kapillarstrukturen regeneriert werden, die an der Kondensatoberfläche für die Wirkung der Oberflächenspannung o sorgen und den Wärmetransport begünstigen.

Bezugszeichenliste

Polymerfolie / Ionenspurmembran: 1
Oberfläche der Ionenspurmembran 1: 1a
Mikroporen: 2
gesamte Wärmeübertragungsfläche: 3
Grundfläche: 3a
rohr- und plattenförmiger Körper: 4
Porenoberfläche: 5
stiftförmige Vorsprünge: 6
Spitzen der Vorsprünge 6: 6a
Außenoberfläche der Vorsprünge 6: 6b
Längsachse der Vorsprünge 6: 6c
Mikrostruktur: 7
Pilzform der freien Enden der Vorsprünge 6: 8
kegelstumpfförmige Teilabschnitte der Vorsprünge 6: 9
Innenseite des rohrförmigen Körpers 4: 10
Außenseite des rohrförmigen Körpers 4: 11
Blasen unterschiedlicher Größe: 12, 13, 14
Stelle für das Abreißen der Blase: 15
Keim einer Blase: 16
Anfang des rohrförmigen Körpers 4: A
Ende des rohrförmigen Körpers 4: E
Dicke der Polymerfolie 1: D
Dicke der stiftförmigen Vorsprünge 6: d
Außen- und Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers 4: D_a, D_i
Neigungswinkel der stiftförmigen Vorsprünge 6 zur Grundfläche 3a: α
Länge der Vorsprünge 6: L
Blasenradius: r
Temperaturen: T, T₀, T₁, T∞
Weite der Mikroporen 2: w
lichte Weite zwischen den Vorsprüngen 6: W

Claims

Wärmeübertragungsfläche auf rohr- oder plattenförmigen Körpern mit einer aus der Grundfläche herausragenden Mikrostruktur von Vorsprüngen, die mit einer Mindesthöhe von 10 µm auf die Grundfläche galvanisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (3a) ganz oder teilweise mit Vorsprüngen (6) bedeckt ist, daß diese Vorsprünge (6) in Form von geordneten Mikrostrukturen (7) aufgebracht sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (6c) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zwischen 30° und 90° zur Grundfläche (3a) erstreckt.
Wärmeübertragungsfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Vorsprünge je Flächeneinheit in Abhängigkeit von der Dicke (d) der stiftförmigen Vorsprünge (6) gestaltet ist und für eine Anzahl von 10²/cm² bis 10⁸/cm² zwischen 100 µm und 0,2 µm liegt.
Wärmeübertragungsfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der stiftförmigen Vorsprünge (6) auf ein und derselben Wärmeübertragungsfläche (3) konstant ist.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der stiftförmigen Vorsprünge (6) je nach Größe und spezifischer Funktion der Wärmeübertragungsfläche (3) zwischen 10 µm und 195 µm liegt.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkonfiguration der stiftförmigen Vorsprünge (6) bei ein und derselben Wärmeübertragungsfläche (3) gleich ist.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite (W) zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen (6) bei ein und derselben Wärmeübertragungsfläche (3) regelmäßig ist.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite (W) zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen (6) je nach gewünschter Wärmeübertragungsfläche (3) zwischen 0,6 µm und 1000 µm liegt.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen Vorsprünge (6) die Form einer zylindrischen Säule aufweisen.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen Vorsprünge (6) als Kegel oder als Kegelstumpf gestaltet sind.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen Vorsprünge (6) mit einer Form von mehreren aufeinandergesetzter Kegelstümpfe (9) versehen sind.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen Vorsprünge (6) mit einem zylindrischen Ständer versehen sind, dessen freies Ende eine Pilzform (8) aufweist.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen Vorsprünge (6) einen zylindrischen Ständer bilden, dessen freies Ende mit einer Kugel- oder Teilkugelform versehen ist.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiger, mit den stiftförmigen Vorsprüngen (6) versehener Körper (4) einen Außen- oder Innendurchmesser (Da, Di) von mindestens 2 mm aufweist.
Wärmeübertragungsfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die stiftförmigen Vorsprünge (6) aus allen galvanisch abscheidbaren Werkstoffen herstellbar sind.
Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche auf rohr- oder plattenförmigen Körpern mit einer über eine Grundfläche hervorragenden Mikrostruktur mit einer Mindesthöhe von 10 µm von aufgalvanisierten Vorsprüngen, wobei die Grundfläche mit einer Kunststoffolie belegt und galvanisiert wird nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Mikroporen (2) versehene Polymermembran (1) als Kunststoffolie flächendeckend auf die Grundfläche (3a) aufgebracht wird und im anschließenden Galvanisierungsprozeß der die Grundfläche (3a) tragende Körper (4) als eine der Elektroden geschaltet wird und nach Erreichen der gewünschten Länge (L) und Form der sich in den Mikroporen (2) bildenden stiftförmigen Vorsprünge (6) der Galvanisierungsprozeß unterbrochen und sodann die Polymermembran (1) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymermembran (1) eine Ionenspurmembran, auch Kernspurfilter genannt, verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroporen (2) in der Polymermembran (1) durch Ionenbestrahlung sowie in einem anschließenden Ätzprozeß mittels einer Lauge gebildet werden.