EP1857764A2 - Wärmeübertragungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung - Google Patents

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EP1857764A2
EP1857764A2 EP07107709A EP07107709A EP1857764A2 EP 1857764 A2 EP1857764 A2 EP 1857764A2 EP 07107709 A EP07107709 A EP 07107709A EP 07107709 A EP07107709 A EP 07107709A EP 1857764 A2 EP1857764 A2 EP 1857764A2
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EP
European Patent Office
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heat transfer
transfer device
pore structure
porosity
base body
Prior art date
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Withdrawn
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EP07107709A
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English (en)
French (fr)
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EP1857764A3 (de
Inventor
Dirk Schäfer
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication of EP1857764A3 publication Critical patent/EP1857764A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a heat transfer device, comprising at least one heat transfer surface element with a base body, a first side, on which a first fluid for heat absorption is Louis Mountainbar, and a second side, which is heatable, wherein on the base body on the first side, a pore structure is arranged.
  • the invention further relates to a method for producing a heat transfer device, which has at least one heat transfer surface element with a pore structure, wherein the pore structure is arranged on a base body.
  • From the DE 101 22 574 A1 is a component for mass and heat transport with a base body and with a material and heat transport supporting layer on at least one component surface known, wherein the coating is produced by a vacuum plasma spraying process. Powder particles are superficially melted to create a pore structure. By the degree of melting is the proportion of open and closed pores set.
  • the DE 40 36 932 A1 discloses a method for producing a heat transfer surface in which a mixture of particles of a metal powder and a polymethyl methacrylate powder is flame-sprayed onto a metallic substrate.
  • the particles of the polymethylmethacrylate powder form small spaces between particles of the metal powder.
  • the prepared coating is heated to remove the particles of polymethyl methacrylate powder from the coating and to form voids at locations previously occupied by these particles.
  • a component for a heat exchanger which comprises a porous coating, the pores being produced by removal of a volatile material.
  • Heat transfer devices are also known from the publications Asano, H., Shufer, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H., Henne, R., 2003, "Improved Heat Transfer by RF Plasma Produced Structured Surfaces", International Thermal Spray Conference (ITSC 2003), pp. 559-566 ; Asano, H., Shufer, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H.
  • ITW "Development of Plasma Spray-Coated Tubes for Compact Evaporators", Fourth International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industry, Crete Island , Greece, September 29 - October 3, 2003, Engineering Conferences International, (2003 ); Schfer, D., Asano, H., Muller-Steinhagen, H., Tamme, R., "New High Performance Surfaces for Refrigerant Evaporator Tubes", DKV Tagung, Bonn, 19. - 21.11.2003, DKV, DKV-Tagungsbericht 2003, p.
  • the invention has for its object to provide a heat transfer device of the type mentioned, in which the heat transfer coefficient is optimized.
  • the pore structure has a non-homogeneous pore distribution, ie a non-homogeneous porosity. Due to the fact that the porosity is greater towards an outer surface than towards a main body, a larger number of potential nuclei sites are available on the outer surface. This can improve the heat transfer between the surface and a vapor bubble. This is due to an effective contact area and the accelerated growth and tear of a bubble over the release frequency.
  • the thermal conductivity near the body is improved and the turbulence near the outer surface is increased. Ascending vapor bubbles and the increasing volume fraction of vapor toward the outer surface have improved ascent opportunities, and the first fluid has better post flow capability. As a result, the heat transfer coefficient can be improved compared to a pore structure with homogeneous porosity.
  • the second side can be heated via a second fluid or for example also be electrically heated.
  • the porosity of the pore structure is graded in order to obtain an improved heat transfer.
  • the porosity increases away from the main body towards the outer surface.
  • the thermal conductivity near the base body can be improved and the degree of turbulence near the outer surface can be increased.
  • the pore structure can be produced, for example, in one piece on the base body by etching, sintering or machining by machining.
  • the pore structure can be produced in a simple manner if it is formed on the base body and in particular as a coating on the base body.
  • a coating can be prepared by known methods such as atmospheric plasma spraying, arc wire spraying, high velocity flame spraying or induction plasma coating.
  • the pore structure is arranged flat on the base body. Thereby, it is ensured that the first fluid comes into thermal contact with the pore structure in the Vorbeiströmung on the first side of the heat transfer surface element.
  • the pore structure has a substantially uniform thickness. It can then be easily produced.
  • the thickness of the pore structure in the range between 5 .mu.m and 500 .mu.m and in particular in the range between 10 .mu.m and 300 .mu.m.
  • a pore structure is then provided, which is arranged with a high separation resistance on the base body and has optimized nucleation properties for boiling bubbles.
  • the mean pore size is in the range between 1 ⁇ m and 200 ⁇ m and in particular in the range between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m. As a result, the bubbling of boiling bubbles can be promoted in an optimized manner.
  • the pore structure in a thickness range of 0% to 20% of the total thickness, starting from the base body, a porosity and in particular average porosity in the range between 0% and 30%.
  • the pore structure has a porosity of 20% to 60% in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness, starting from the main body.
  • a graded pore structure can then be produced in which the porosity towards the main body is smaller than towards the outer surface.
  • the porosity in a thickness range between 70% and 100% of the total thickness, starting from the main body is at least 10% greater than the porosity in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness. This can optimize the formation of boiling bubbles, with good heat transfer is guaranteed and the pore structure can be produced in a simple manner.
  • the porosity in said thickness range is less than 80%.
  • the porosity of the pore structure is at most 80% and in particular in an upper layer of the pore structure is at most 80%.
  • the pore structure is formed in multiple layers, with different layers differ in porosity.
  • Such a pore structure can be produced in a simple manner by successively producing the layers as different partial layers.
  • the surface roughness Ra is at least 8 ⁇ m. This allows the boiling bubble formation on the surface to be optimized.
  • the pore structure is made of a material of high thermal conductivity and in particular metallic thermal conductivity. This can achieve a large heat transfer coefficient.
  • the base body is made of a metallic material. This optimizes the heat transfer from the first side to the second side.
  • the pore structure is produced by means of a one-component powder material.
  • the manufacturing process is simplified because no second component has to be dissolved out.
  • the first side and the second side of the at least one heat transfer surface element facing away from each other This allows heat to be transferred in an optimized way from the first side to the second side.
  • a second fluid for heat dissipation can be guided past the second side.
  • the heat transfer surface element is designed as a tube, in the interior of which the second fluid can be guided. It is also possible, for example, that the heat transfer surface element is plate-shaped, wherein the second fluid is guided past on one side.
  • the at least one heat transfer surface element is formed closed.
  • the heat transfer surface element is realized as a tube. Inside the tube can be lead a second fluid, wherein the first fluid is guided past an outer side of the tube.
  • the flow guide can also be reversed, ie the first fluid is guided inside the tube and the second fluid is guided past an outer side of the tube.
  • the at least one heat transfer surface element is open and is designed, for example, as a heat transfer plate.
  • the heat transfer plate then forms part of a plate heat exchanger.
  • the first fluid is a vaporizable liquid. It can then achieve a high heat transfer coefficient.
  • the heat transfer coefficient can be optimized if the first fluid is present in the area of nucleate boiling.
  • the invention is further based on the object of providing a method for producing a heat transfer device of the aforementioned type, by means of which a heat transfer device can be produced, which has an optimized heat transfer coefficient.
  • This object is achieved according to the invention in the method mentioned above in that, starting from the base body to an outer surface, the pore structure is produced with increasing porosity.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the heat transfer device according to the invention.
  • the pore structure is applied as a coating on the base body.
  • the pore structure can thereby be produced in a simple manner.
  • the pore structure is applied in multiple layers.
  • a graded pore structure can be produced in a simple manner, in which the porosity toward the main body is lower than towards an outer surface.
  • layers are applied successively, with different layers differing in their properties and in particular in their porosity.
  • the porosity increases in successively applied layers relative to the previously applied layer in order to achieve a graded pore distribution with increased porosity towards an outer surface.
  • the coating is produced with a powder material and in particular with a one-component powder material. This makes it easy to produce a pore structure with a defined porosity.
  • powder particles having an average particle size between 40 ⁇ m and 350 ⁇ m and in particular between 50 ⁇ m and 200 ⁇ m are used as the powder material.
  • the coating is applied by means of high-frequency plasma spraying (induction plasma spraying).
  • high-frequency plasma spraying a large-volume plasma jet is generated which has a low radial temperature gradient.
  • Such a plasma jet has a low velocity (compared to a DC plasma jet). This reduces the kinetic energy on the impact of molten or almost molten powder particles on the surface to be coated.
  • the porosity is adjusted by varying the applied material and / or a plasma jet speed and / or a coating time and / or the power of a high-frequency generator and / or the distance between the sample and a plasma nozzle and / or the pressure and / or gas admixture , This allows a defined pore structure grading set.
  • the pressure during application is in the range between 80 mbar and 1 bar and in particular between 200 mbar and 300 mbar. This can produce an optimized pore structure.
  • FIG. 1 An embodiment of a heat transfer device 10 according to the invention is a tube 12, which is shown in Figure 1 in a sectional view is.
  • the heat transfer device 10 includes a heat transfer surface member 14 which is closed.
  • the heat transfer surface element 14 separates an inner space 16 from an outer space 18.
  • the term outer space 18 refers to the heat transfer surface element 14.
  • the outer space 18 itself may, for example, be part of an inner space of a pipe in which the first fluid is guided.
  • the heat transfer surface member 14 extends in a longitudinal direction which is transverse to the plane of the drawing of FIG.
  • the heat transfer surface element 14 has a first side 20, which faces into the outer space 18. On the first side 20, a first fluid for heat absorption can be passed.
  • the first fluid is a vaporizable liquid, wherein the first fluid is in the state of nucleate boiling.
  • the heat transfer surface member 14 further includes a second side 22 facing the inner space 16; through the second side 22 of the interior 16 is formed.
  • the second side 22 and the first side 20 are facing away from each other.
  • the second side 22 is heated.
  • a second fluid for heat dissipation can be guided.
  • the second fluid is a liquid or a gas.
  • the second side 22 it is also possible for the second side 22 to be electrically heated, for example.
  • the heat transfer surface element 14 has a base body 24. This is tubular in the embodiment shown. In particular, it is made of a material of high thermal conductivity and in particular metallic thermal conductivity. It is preferably provided that the base body 24 is made of a metallic material such as copper.
  • a pore structure 26 is arranged on the base body 24 in the outer space 18.
  • the pore structure is arranged flat on the main body 24 and covers it in particular completely, so that the first fluid is in thermal contact with the heat transfer surface element 14 via the pore structure 26.
  • the pore structure 26 it is in principle possible for the pore structure 26 to be arranged in one piece on the base body 24.
  • the pore structure 26 is formed as a coating on the base body 24.
  • the pore structure has a substantially uniform thickness which is in the range between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m and in particular in the range between 10 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the pore structure 26 provides potential nucleation sites for bubble formation.
  • the pore structure 26 has a graded layer structure. This is shown schematically in FIG.
  • the porosity toward the base 24 is less than toward an outer surface 30 that faces the outer space 18.
  • the porosity thereby increases in a direction 31 away from the main body 24.
  • the pore structure 26 is preferably made of a material of high thermal conductivity and in particular of metallic thermal conductivity. Possible materials are, for example, copper, aluminum, stainless steel, titanium, graphite or graphite plastic.
  • the pore size increases away from the main body 24 in the pore structure 26 towards the outer surface 30.
  • a varying porosity of the pore structure 26 can be achieved, for example, by producing the coating 28 in multiple layers. This is indicated in Figure 2 by the layers 32, 34 and 36. These layers 32, 34, 36 are produced successively, i. H. First, the layer 32 is produced on the base body 24, then the layer 34 on the layer 32 and then the layer 36 on the layer 34. The layers 32, 34 and 36 differ mainly by their porosity. This is set by the way of manufacture.
  • the (average) pore size in the pore structure 26 is preferably in the range between 1 .mu.m and 200 .mu.m and in particular between 1 .mu.m and 100 .mu.m.
  • the pore structure 26 in a thickness range of 0% to 20% of the total thickness corresponding to the layer 32 in Figure 2, a porosity in the range between 0% and 30%.
  • the porosity is between 20% and 60%.
  • the porosity is at least 10% greater than the porosity in a thickness range between 20% and 70% of the total thickness (corresponding to the layer 34).
  • the porosity is not larger than 80%.
  • the pore structure 26 with its higher porosity on the outer surface 30 provides an increased number of optimal potential nucleation sites. Furthermore, the heat transfer between the outer surface 30 and a vapor bubble is improved. This is due to the fact that the effective contact area is increased and the growth and the demolition of a boiling bubble on the Ablettefrequenz is accelerated.
  • the thermal conductivity close to the base body 24 is improved. Due to the higher porosity on the outer surface 30 is the degree of turbulence near the outer surface 30 is increased. As a result, rising vapor bubbles and the increasing volume fraction of vapor in the direction of the outer surface 30 have improved ascent possibilities. In turn, the first fluid has a better Nachström mecanickeit.
  • the surface roughness Ra (according to DIN 4768) is greater than 8 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a pore structure 26 according to the invention.
  • the material of the pore structure 26 is copper.
  • the porosity is graded, d. H. it increases in the direction of 31. In particular, the porosity toward the base body 24 is smaller here than towards the outer surface 30.
  • FIG. 4 shows a scanning electron micrograph of the pore structure according to FIG. 3 (magnification 3500: 1). One recognizes a pore with a pore diameter of 14 ⁇ m.
  • copper pipes have been provided with a porous coating.
  • the copper pipes had an outer diameter of 18 mm and a length of 350 mm.
  • Tubes with the following properties were produced: pipe coating Surface roughness Ra [mm] (DIN4768) Layer thickness t c [mm] Total porosity e o [%] smooth 0.247 A Inconel 625 14.1 175.7 73.4 B 20.4 193.5 77.9 C 11.8 142.5 63.3 D copper 12.6 165.4 42.1 e 9.0 50.8 63.4
  • the pore structure was produced with graded porosity.
  • the column of porosity given in the table refers to the total porosity.
  • FIGS. 5 (a), 5 (b) and 5 (c) show measurement results of the heat transfer coefficient as a function of the heat flux density.
  • the measured values of FIG. 5 (a) were recorded for a temperature T s of 20 ° C. and a pressure P s of 572.3 kPa.
  • the measured values of the graph of Fig. 5 (b) were taken at a temperature of T s of 0 ° C and a pressure P s of 292.2 kPa.
  • the measured values according to FIG. 5 (c) were recorded at a temperature T s of -20 ° C. and a pressure P s of 129.9 kPa.
  • the two-phase mixture (second fluid) contained tetrafluoroethane (R134a).
  • the reference numeral 38 indicates the theoretical curve for a smooth tube. It can be seen that a significantly higher heat transfer coefficient can be achieved by providing a pore structure 26 (with a graded structure).
  • the highest heat transfer coefficient is obtained for small heat flux densities with the tube A.
  • the pipes D and E are more advantageous.
  • a pore structure 26 made of copper particles it has been shown that nucleation sites of a pore size of 0.2 ⁇ m and 100 ⁇ m were formed, which are approximately homogeneously distributed in the pore structure 26.
  • the smaller pores may be due to inclusions in copper and larger pores to agglomerates.
  • the graded structure is made by the residual pores.
  • the pore structure 26 with graded structure can basically be produced by various methods such as, for example, sintering, etching or machining by machining.
  • FIG. 6 schematically shows a corresponding device.
  • This device comprises a vacuum vessel 42 in which a sample 44 to be coated can be positioned.
  • the sample 44 is, for example, a tube.
  • the sample 44 is movably disposed in the vacuum vessel 42. In particular, it is rotatable (indicated in Figure 6 by the reference numeral 46) and longitudinally displaceable (indicated in Figure 6 by the reference numeral 48) to obtain a uniform coating of a surface 49 of the sample 44.
  • a high-frequency plasma torch 50 is connected, via which a plasma jet 52 can be produced.
  • the high-frequency plasma torch 50 comprises for this purpose one or more induction coils 54, by which a working gas (such as argon, helium or hydrogen) is excited for plasma formation.
  • a typical excitation frequency of the induction coil 54 is 500 kHz.
  • a powder material is introduced into the plasma by means of a carrier gas, such as argon. It can thereby produce a plasma jet with the powder.
  • the plasma jet 52 is directed to the sample 44 to apply the coating.
  • the powder can be melted onto the sample 44 to produce the pore structure 26.
  • the pressure conditions during the coating of the sample 44 in the vacuum vessel 42 are typically from 80 mbar to 1 bar and preferably from 200 mbar to 300 mbar.
  • the layers differ in their porosity.
  • the porosity can be adjusted by adjusting different powder materials and / or different coating times and / or different speeds of the plasma jet 52. Further an adjustment of the porosity is possible via power variation of the high frequency generator and / or variation of the distance between a plasma nozzle and the sample 44 and / or pressure variation and / or gas admixtures.
  • a rest time is maintained, depending on the layer thickness, before the next layer is produced successively.
  • a typical magnitude of such a rest period is 2 min.
  • the underlying layer is also further compressed.
  • An advantage of high-frequency plasma spraying is that a large-volume plasma jet 52 can be produced which has a low radial temperature gradient.
  • the velocity of the plasma jet 52 is relatively low compared to a DC plasma jet.
  • the kinetic energy upon impact of molten or nearly molten powder particles on the surface of the sample 44 to be coated is relatively low.
  • powders were used such as the copper powder Alpha Aeser, Lot 4323214, -155 +45 microns or commercial Inconell 625, -150 +45 microns.
  • the heat transfer device may for example also be designed as a plate heat exchanger, in which case the corresponding heat transfer surface element is a heat transfer plate.

Abstract

Um eine Wärmeübertragungsvorrichtung (10), umfassend mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement (14) mit einem Grundkörper (24), eine erste Seite (20), an welcher ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar ist, und eine zweite Seite (22), welche beheizbar ist, wobei an dem Grundkörper (24) an der ersten Seite (20) eine Porenstruktur (26) angeordnet ist, bereitzustellen, bei welcher der Wärmeübergangskoeffizient optimiert ist, ist vorgesehen, dass die Porenstruktur (26) zum Grundkörper (24) hin eine kleinere Porosität aufweist als zu einer äußeren Oberfläche hin.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einem Grundkörper, eine erste Seite, an welcher ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar ist, und eine zweite Seite, welche beheizbar ist, wobei an dem Grundkörper an der ersten Seite eine Porenstruktur angeordnet ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einer Porenstruktur aufweist, wobei die Porenstruktur an einem Grundkörper angeordnet ist.
  • Es hat sich gezeigt, dass man einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten bei Wärmeübertragungsvorrichtungen mit Phasenwechsel Flüssigkeit-Dampf erhält, wenn im Bereich des Blasensiedens gearbeitet wird. Dazu müssen potentielle Keimstellen für die Blasenbildung vorhanden sein. Solche potentiellen Keimstellen lassen sich über eine Porenstruktur bereitstellen.
  • Aus der DE 101 22 574 A1 ist ein Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport mit einem Basiskörper und mit einer einen Stoff- und Wärmetransport unterstützenden Schicht auf mindestens einer Bauteilfläche bekannt, wobei die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt ist. Pulverpartikel sind zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen. Durch den Grad des Anschmelzens ist der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt.
  • Aus der US 4,753,849 ist eine porös beschichtete Verdampferröhre bekannt.
  • Die DE 40 36 932 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche, bei welchem ein Gemisch aus Partikeln eines Metallpulvers und eines Polymethylmetacrylatpulvers auf ein metallisches Substrat flammgespritzt wird. Die Partikel des Polymethylmetacrylatpulvers bilden zwischen Partikeln des Metallpulvers kleine Zwischenräume. Der hergestellte Überzug wird erhitzt, um die Partikel des Polymethylmetacrylatpulvers vom Überzug zu entfernen und an Stellen, die vorher von diesen Partikeln besetzt waren, Leerräume auszubilden.
  • Aus der EP 0 264 338 A2 ist ein Bauteil für einen Wärmeübertrager bekannt, welches eine poröse Beschichtung umfasst, wobei die Poren durch Entfernung eines flüchtigen Materials erzeugt wurden.
  • Wärmeübertragungsvorrichtungen sind auch bekannt aus den Veröffentlichungen Asano, H., Schäfer, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H., Henne, R., 2003, "Improved Heat Transfer by RF Plasma Produced Structured Surfaces", International Thermal Spray Conference (ITSC 2003), pp. 559-566; Asano, H., Schäfer, D., Bouyer, E., Müller-Steinhagen, H. (ITW), "Development of Plasma Spray-Coated Tubes for Compact Evaporators", Fourth International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industry, Crete Island, Greece, September 29 - October 3, 2003, Engineering Conferences International, (2003); Schäfer, D., Asano, H., Müller-Steinhagen, H., Tamme, R., "Neue Hochleistungsoberflächen für Kältemittelverdampferrohre", DKV Tagung, Bonn, 19. - 21.11.2003, DKV, DKV-Tagungsbericht 2003, S. 207-220, (2003); Schäfer, D., Müller-Steinhagen, H., Tamme, R., "Einfluss Plasma-beschichteter Rohre im Rohrbündel-Verdampfer", DKV, Bremen, 17. - 19.11.2004, DKV, 257-266, (2004); Schäfer, D., Tammer, R., Müller-Steinhagen, H. and Müller, M., "Experimental Results with Novel Plasma Coated Tubes in Compact Tube Bundels", Proceedings of the Heat SET 2005 Conference, Grenoble, France, ISBN 2-9502555-0-7, pp. 487-492 (2005).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher der Wärmeübergangskoeffizient optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Wärmeübertragungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Porenstruktur zum Grundkörper hin eine kleinere Porosität aufweist als zu einer äußeren Oberfläche hin.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung weist die Porenstruktur eine nicht-homogene Porenverteilung auf, d. h. eine nicht-homogene Porosität auf. Dadurch, dass zu einer äußeren Oberfläche hin die Porosität größer ist als zu einem Grundkörper hin, steht an der äußeren Oberfläche eine größere Anzahl von potentiellen Keimstellen bereit. Dadurch lässt sich der Wärmeübergang zwischen der Oberfläche und einer Dampfblase verbessern. Dies ist auf eine effektive Kontaktfläche und das beschleunigte Wachstum und Abriss einer Blase über die Ablösefrequenz zurückzuführen.
  • Die Wärmeleitfähigkeit nahe dem Grundkörper ist verbessert und die Turbulenz nahe der äußeren Oberfläche ist erhöht. Aufsteigende Dampfblasen und der steigende Volumenanteil am Dampf in Richtung der äußeren Oberfläche haben verbesserte Aufstiegsmöglichkeiten und das erste Fluid hat eine bessere Nachströmmöglichkeit. Dadurch lässt sich der Wärmeübergangskoeffizient im Vergleich zu einer Porenstruktur mit homogener Porosität verbessern.
  • Die zweite Seite kann über ein zweites Fluid beheizt sein oder beispielsweise auch elektrisch beheizt sein.
  • Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Porosität der Porenstruktur gradiert ist, um einen verbesserten Wärmeübergang zu erhalten.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porosität von dem Grundkörper weg zu der äußeren Oberfläche hin zunimmt. Dadurch lässt sich die Wärmeleitfähigkeit nahe dem Grundkörper verbessern und der Turbulenzgrad nahe der äußeren Oberfläche lässt sich erhöhen.
  • Es ist grundsätzlich möglich, dass die Porenstruktur beispielsweise einstückig an dem Grundkörper durch Ätzen, Sintern oder maschinell zerspanende Bearbeitung hergestellt ist. Die Porenstruktur lässt sich auf einfache Weise herstellen, wenn diese auf dem Grundkörper und insbesondere als Beschichtung auf dem Grundkörper ausgebildet ist. Eine solche Beschichtung lässt sich durch bekannte Verfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen, Lichtbogen-Drahtspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Induktionsplasmabeschichten herstellen.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenstruktur flächig an dem Grundkörper angeordnet ist. Dadurch ist dafür gesorgt, dass das erste Fluid in thermischem Kontakt mit der Porenstruktur bei der Vorbeiströmung an der ersten Seite des Wärmeübertragungsflächenelements kommt.
  • Günstig ist es, wenn die Porenstruktur eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist. Sie lässt sich dann auf einfache Weise herstellen.
  • Vorteilhafterweise ist die Dicke der Porenstruktur im Bereich zwischen 5 µm und 500 µm und insbesondere im Bereich zwischen 10 µm und 300 µm. Es ist dann eine Porenstruktur bereitgestellt, welche mit hohem Ablösewiderstand an dem Grundkörper angeordnet ist und optimierte Keimbildungseigenschaften für Siedeblasen aufweist.
  • Günstig ist es, wenn die mittlere Porengröße im Bereich zwischen 1 µm und 200 µm und insbesondere im Bereich zwischen 1 µm und 100 µm liegt. Dadurch lässt sich auf optimierte Weise die Blasenbildung von Siedeblasen fördern.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Porenstruktur in einem Dickenbereich von 0 % bis 20 % der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper, eine Porosität und insbesondere mittlere Porosität im Bereich zwischen 0 % und 30 % aufweist.
  • Ferner ist es günstig, wenn die Porenstruktur in einem Dickenbereich zwischen 20 % und 70 % der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper, eine Porosität von 20 % bis 60 % aufweist. Es lässt sich dann eine gradierte Porenstruktur herstellen, bei welcher die Porosität zu dem Grundkörper hin kleiner ist als zu der äußeren Oberfläche hin.
  • Ferner ist es günstig, wenn die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 70 % und 100 % der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper, mindestens um 10 % größer ist als die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 20 % und 70 % der Gesamtdicke. Dadurch lässt sich die Bildung von Siedeblasen optimieren, wobei guter Wärmeübergang gewährleistet ist und sich die Porenstruktur auf einfache Weise herstellen lässt. Vorzugsweise ist die Porosität in dem genannten Dickenbereich kleiner als 80 %.
  • Günstig ist es, wenn die Porosität der Porenstruktur höchstens 80 % beträgt und insbesondere in einer oberen Lage der Porenstruktur höchstens 80 % beträgt.
  • Beispielsweise ist die Porenstruktur mehrlagig ausgebildet, wobei sich unterschiedliche Lagen in der Porosität unterscheiden. Eine solche Porenstruktur lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem die Lagen beispielsweise als unterschiedliche Teilschichten sukzessive hergestellt werden.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächenrauhigkeit Ra mindestens 8 µm beträgt. Dadurch lässt sich die Siedeblasenbildung an der Oberfläche optimieren.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenstruktur aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist. Dadurch lässt sich ein großer Wärmeübertragungskoeffizient erreichen.
  • Ferner ist es günstig, wenn der Grundkörper aus einem metallischen Material hergestellt ist. Dadurch lässt sich der Wärmeübergang von der ersten Seite auf die zweite Seite optimieren.
  • Insbesondere ist die Porenstruktur mittels eines einkomponentigen Pulvermaterials hergestellt. Der Herstellungsprozess ist dadurch vereinfacht, da keine zweite Komponente herausgelöst werden muss.
  • Vorteilhafterweise sind die erste Seite und die zweite Seite des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements einander abgewandt. Dadurch lässt sich auf optimierte Weise Wärme von der ersten Seite auf die zweite Seite übertragen.
  • Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass an der zweiten Seite ein zweites Fluid zur Wärmeabgabe vorbeiführbar ist. Beispielsweise ist das Wärmeübertragungsflächenelement als Rohr ausgebildet, in dessen Innenraum das zweite Fluid vorbeiführbar ist. Es ist beispielsweise auch möglich, dass das Wärmeübertragungsflächenelement plattenförmig ausgebildet ist, wobei an einer Seite das zweite Fluid vorbeigeführt wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wärmeübertragungsflächenelement geschlossen ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Wärmeübertragungsflächenelement als Rohr realisiert. Innerhalb des Rohrs lässt sich ein zweites Fluid führen, wobei das erste Fluid an einer Außenseite des Rohrs vorbeigeführt wird. Die Strömungsführung kann auch umgekehrt sein, d. h. das erste Fluid wird innerhalb des Rohrs geführt und das zweite Fluid wird an einer Außenseite des Rohrs vorbeigeführt.
  • Es ist auch möglich, dass das mindestens eine Wärmeübertragungsflächenelement offen ausgebildet ist und beispielsweise als Wärmeübertragungsplatte ausgebildet ist. Die Wärmeübertragungsplatte bildet dann einen Teil eines Plattenwärmeübertragers.
  • Günstig ist es, wenn das erste Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit ist. Es lässt sich dann ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient erreichen.
  • Der Wärmeübertragungskoeffizient lässt sich optimieren, wenn das erste Fluid im Bereich des Blasensiedens vorliegt.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem eine Wärmeübertragungsvorrichtung herstellbar ist, welche einen optimierten Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ausgehend von dem Grundkörper zu einer äußeren Oberfläche hin die Porenstruktur mit zunehmender Porosität hergestellt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung erläutert.
  • Insbesondere ist die Porenstruktur als Beschichtung auf den Grundkörper aufgebracht. Die Porenstruktur lässt sich dadurch auf einfache Weise herstellen.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenstruktur mehrlagig aufgebracht wird. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine gradierte Porenstruktur herstellen, bei welcher die Porosität zu dem Grundkörper hin geringer ist als zu einer äußeren Oberfläche hin.
  • Vorteilhafterweise werden Lagen sukzessive aufgebracht, wobei sich unterschiedliche Lagen in ihren Eigenschaften und insbesondere in ihrer Porosität unterscheiden.
  • Vorteilhafterweise nimmt die Porosität in sukzessive aufgebrachten Lagen bezogen auf die vorher aufgebrachte Lage zu, um eine gradierte Porenverteilung mit erhöhter Porosität zu einer äußeren Oberfläche hin zu erreichen.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung mit einem Pulvermaterial und insbesondere mit einem einkomponentigen Pulvermaterial hergestellt wird. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine Porenstruktur mit definierter Porosität herstellen.
  • Beispielsweise werden als Pulvermaterial Pulverpartikel mit einer mittleren Korngröße zwischen 40 µm und 350 µm und insbesondere zwischen 50 µm und 200 µm eingesetzt.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung mittels Hochfrequenzplasmaspritzen (Induktionsplasmaspritzen) aufgebracht wird. Beim Hochfrequenzplasmaspritzen wird ein großvolumiger Plasmastrahl erzeugt, welcher einen geringen radialen Temperaturgradienten aufweist. Ein solcher Plasmastrahl hat eine geringe Geschwindigkeit (im Vergleich zu einem Gleichstromplasmastrahl). Dadurch reduziert sich die kinetische Energie beim Aufprall von geschmolzenen oder beinahe geschmolzenen Pulverpartikeln auf die zu beschichtende Oberfläche.
  • Günstig ist es, wenn die Porosität über Variation des aufgebrachten Materials und/oder einer Plasmastrahlgeschwindigkeit und/oder einer Beschichtungszeit und/oder der Leistung eines Hochfrequenzgenerators und/oder des Abstands zwischen Probe und einer Plasmadüse und/oder des Drucks und/oder Gasbeimischung eingestellt wird. Dadurch lässt sich eine definierte Porenstrukturgradierung einstellen.
  • Günstig ist es, wenn der Druck beim Aufbringen im Bereich zwischen 80 mbar und 1 bar liegt und insbesondere zwischen 200 mbar und 300 mbar liegt. Dadurch lässt sich eine optimierte Porenstruktur erzeugen.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung des Bereichs A gemäß Figur 1 in Schnittdarstellung;
    Figur 3
    ein Schnittbild einer Porenstruktur aus Cu;
    Figur 4
    eine rasterelektronenmikroskopische Oberflächenaufnahme eines Ausführungsbeispiels einer Porenstruktur aus Cu;
    Figur 5(a), 5(b), 5(c)
    Messdiagramme der Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmestromdichte eines Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche als Rohr ausgebildet ist, bei verschiedenen Zusammensetzungen der Porenstruktur (Messwerte A, B, C, D, E) bei verschiedenen Temperaturen und Drücken; und
    Figur 6
    eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist ein Rohr 12, welches in Figur 1 in einer Schnittansicht gezeigt ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 umfasst ein Wärmeübertragungsflächenelement 14, welches geschlossen ist. Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 trennt einen Innenraum 16 von einem Außenraum 18. Die Bezeichnung Außenraum 18 bezieht sich dabei auf das Wärmeübertragungsflächenelement 14. Der Außenraum 18 kann selber beispielsweise Teil eines Innenraums eines Rohrs sein, in welchem das erste Fluid geführt ist.
  • Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 erstreckt sich in einer Längsrichtung, welche quer zur Zeichenebene der Figur 1 ist.
  • Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 hat eine erste Seite 20, welche in den Außenraum 18 weist. An der ersten Seite 20 ist ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar.
  • Es ist dabei vorgesehen, dass das erste Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit ist, wobei das erste Fluid im Zustand des Blasensiedens vorliegt.
  • Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 weist ferner eine zweite Seite 22 auf, welche dem Innenraum 16 zugewandt ist; durch die zweite Seite 22 ist der Innenraum 16 gebildet. Die zweite Seite 22 und die erste Seite 20 sind einander abgewandt. Die zweite Seite 22 ist beheizbar. Beispielsweise ist an der zweiten Seite 22 ein zweites Fluid zur Wärmeabgabe vorbeiführbar.
  • Über das Wärmeübertragungsflächenelement 14 wird Wärme von dem zweiten Fluid auf das erste Fluid übertragen. Das zweite Fluid ist eine Flüssigkeit oder ein Gas. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die zweite Seite 22 beispielsweise elektrisch beheizt ist.
  • Das Wärmeübertragungsflächenelement 14 weist einen Grundkörper 24 auf. Dieser ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet. Insbesondere ist er aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Grundkörper 24 aus einem metallischen Material wie beispielsweise Kupfer hergestellt ist.
  • An der zweiten Seite 22 ist an dem Grundkörper 24 in den Außenraum 18 weisend eine Porenstruktur 26 angeordnet. Die Porenstruktur ist dabei flächig an dem Grundkörper 24 angeordnet und bedeckt diesen insbesondere vollständig, so dass das erste Fluid über die Porenstruktur 26 in thermischem Kontakt mit dem Wärmeübertragungsflächenelement 14 steht.
  • Es ist grundsätzlich möglich, dass die Porenstruktur 26 einstückig an dem Grundkörper 24 angeordnet ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Porenstruktur 26 als Beschichtung auf dem Grundkörper 24 ausgebildet.
  • Die Porenstruktur weist eine im Wesentlichen einheitliche Dicke auf, welche im Bereich zwischen 5 µm und 500 µm und insbesondere im Bereich zwischen 10 µm und 300 µm liegt.
  • Es hat sich gezeigt, dass sich hohe Wärmeübergangskoeffizienten an einer Wärmeübertragungsvorrichtung 10 erzielen lassen, wenn bei dem ersten Fluid der Zustand des Blasensiedens vorliegt. Die Porenstruktur 26 stellt potentielle Keimstellen für die Blasenbildung bereit.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Porenstruktur 26 einen gradierten Schichtaufbau aufweist. Dies ist in Figur 2 schematisch dargestellt. Die Porosität zu dem Grundkörper 24 hin ist kleiner als zu einer äußeren Oberfläche 30 hin, welche dem Außenraum 18 zuweist. Die Porosität nimmt dadurch in einer Richtung 31 von dem Grundkörper 24 weg zu.
  • Die Porenstruktur 26 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und insbesondere mit metallischer thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Mögliche Materialien sind beispielsweise Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Titan, Graphit oder Graphit-Plastik.
  • Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, dass die Porengröße von dem Grundkörper 24 weg in der Porenstruktur 26 zu der äußeren Oberfläche 30 hin zunimmt.
  • Eine variierende Porosität der Porenstruktur 26 lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die Beschichtung 28 mehrlagig hergestellt wird. Dies ist in Figur 2 durch die Lagen 32, 34 und 36 angedeutet. Diese Lagen 32, 34, 36 werden sukzessive hergestellt, d. h. zuerst wird die Lage 32 auf dem Grundkörper 24 hergestellt, danach die Lage 34 auf der Lage 32 und anschließend die Lage 36 auf der Lage 34. Die Lagen 32, 34 und 36 unterscheiden sich vor allem durch ihre Porosität. Diese wird durch die Art und Weise der Herstellung eingestellt.
  • Die (mittlere) Porengröße in der Porenstruktur 26 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 µm und 200 µm und insbesondere zwischen 1 µm und 100 µm.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die Porenstruktur 26 in einem Dickenbereich von 0 % bis 20 % der Gesamtdicke, welcher der Lage 32 in Figur 2 entspricht, eine Porosität im Bereich zwischen 0 % und 30 % aufweist. In einem Dickenbereich zwischen 20 % und 70 % der Gesamtdicke, welcher der Lage 34 entspricht, liegt die Porosität zwischen 20 % und 60 %. In einem Dickenbereich zwischen 70 % und 100 % der Gesamtdicke, entsprechend der Lage 36, ist die Porosität um mindestens 10 % größer als die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 20 % und 70 % der Gesamtdicke (entsprechend der Lage 34). Jedoch ist in dem Dickenbereich zwischen 70 % und 100 % die Porosität nicht größer als 80 %.
  • Die oben genannten Angaben bezüglich der Dickenbereiche müssen nicht unbedingt mit den Lagenbereichen zusammenfallen.
  • Durch die Porenstruktur 26 mit ihrer höheren Porosität an der äußeren Oberfläche 30 wird eine vergrößerte Anzahl an optimalen potentiellen Keimstellen bereitgestellt. Weiterhin wird der Wärmeübergang zwischen der äußeren Oberfläche 30 und einer Dampfblase verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die effektive Kontaktfläche vergrößert ist und das Wachstum und der Abriss einer Siedeblase über die Ablösefrequenz beschleunigt ist.
  • Durch die gradierte Porosität der Porenstruktur 26 mit geringerer Porosität zu dem Grundkörper 24 hin ist die Wärmeleitfähigkeit nahe an dem Grundkörper 24 verbessert. Durch die höhere Porosität an der äußeren Oberfläche 30 ist der Turbulenzgrad nahe der äußeren Oberfläche 30 erhöht. Damit haben aufsteigende Dampfblasen und der steigende Volumenanteil an Dampf in Richtung der äußeren Oberfläche 30 verbesserte Aufstiegsmöglichkeiten. Dadurch wiederum hat das erste Fluid eine bessere Nachströmmöglichkeit.
  • Die Oberflächenrauhigkeit Ra (gemäß DIN 4768) ist größer als 8 µm.
  • In Figur 3 ist ein Schnittbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Porenstruktur 26 gezeigt. Das Material der Porenstruktur 26 ist Kupfer. Die Porosität ist gradiert, d. h. sie nimmt in der Richtung 31 zu. Insbesondere ist die Porosität zu dem Grundkörper 24 hin hier kleiner als zu der äußeren Oberfläche 30 zu.
  • Figur 4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Oberflächenaufnahme der Porenstruktur gemäß Figur 3 (Vergrößerung 3500: 1). Man erkennt eine Pore mit einem Porendurchmesser von 14 µm.
  • Bei konkreten Ausführungsbeispielen der Erfindung wurden Kupferrohre mit einer porösen Beschichtung versehen. Die Kupferrohre wiesen einen Außendurchmesser von 18 mm und eine Länge von 350 mm auf.
  • Es wurden Rohre mit folgenden Eigenschaften hergestellt:
    Rohr Beschichtung Oberflächenrauigkeit Ra [mm](DIN4768) Schichtdicke tc [mm] Gesamt-Porosität eo [%]
    glatt 0,247
    A Inconel 625 14,1 175,7 73,4
    B 20,4 193,5 77,9
    C 11,8 142,5 63,3
    D Kupfer 12,6 165,4 42,1
    E 9,0 50,8 63,4
  • Die Porenstruktur wurde dabei mit gradierter Porosität hergestellt. Die in der Tabelle angegebene Spalte mit der Porosität bezieht sich auf die Gesamt-porosität.
  • Die Figuren 5(a), 5(b) und 5(c) zeigen Messergebnisse des Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit der Wärmestromdichte. Die Messwerte der Figur 5(a) wurden für eine Temperatur Ts von 20°C und einem Druck Ps von 572,3 kPa aufgenommen. Die Messwerte des Diagramms von Figur 5(b) wurden bei einer Temperatur von Ts von 0°C und einem Druck Ps von 292,2 kPa aufgenommen. Die Messwerte gemäß Figur 5(c) wurden bei einer Temperatur Ts von -20°C und einem Druck Ps von 129,9 kPa aufgenommen. In dem Zweiphasengemisch (zweites Fluid) war Tetrafluorethan (R134a) enthalten.
  • In den Figuren 5(a) bis (c) ist mit dem Bezugszeichen 38 die theoretische Kurve für ein glattes Rohr angedeutet. Man erkennt, dass durch das Vorsehen einer Porenstruktur 26 (mit gradiertem Aufbau) ein deutlich höherer Wärmeübergangskoeffizient erreichbar ist.
  • Ferner ist zum Vergleich mit dem Bezugszeichen 40 die theoretische Kurve für freie Konvektion (ohne Blasensieden) dargestellt.
  • Den höchsten Wärmeübergangskoeffizienten erhält man für kleine Wärmestromdichten mit dem Rohr A. Für größere Wärmestromdichten werden die Rohre D und E vorteilhafter.
  • Bei der Herstellung einer Porenstruktur 26 aus Kupferpartikeln hat sich gezeigt, dass Keimstellen einer Porengröße 0,2 µm und 100 µm gebildet wurden, die näherungsweise homogen in der Porenstruktur 26 verteilt sind. Die kleineren Poren sind eventuell auf Einschlüsse im Kupfer zurückzuführen und die größeren Poren auf Agglomerate. Die gradierte Struktur ist durch die Restporen hergestellt.
  • Die Porenstruktur 26 mit gradiertem Aufbau lässt sich grundsätzlich durch verschiedene Verfahren wie beispielsweise Sintern, Ätzen oder maschinell zerspanend herstellen.
  • Bei einem vorteilhaften Verfahren wird die Beschichtung 28 mehrlagig über Hochfrequenzplasmaspritzen (Induktionsplasmaspritzen) hergestellt. In Figur 6 ist schematisch eine entsprechende Vorrichtung gezeigt. Diese Vorrichtung umfasst einen Vakuumkessel 42, in welchem eine zu beschichtende Probe 44 positionierbar ist. Bei der Probe 44 handelt es sich beispielsweise um ein Rohr. Die Probe 44 ist in dem Vakuumkessel 42 beweglich angeordnet. Insbesondere ist sie drehbar (in Figur 6 durch das Bezugszeichen 46 angedeutet) und längsverschieblich (in Figur 6 durch das Bezugszeichen 48 angedeutet), um eine gleichmäßige Beschichtung einer Oberfläche 49 der Probe 44 zu erhalten.
  • An den Vakuumkessel 42 ist ein Hochfrequenz-Plasmabrenner 50 angeschlossen, über welchen sich ein Plasmastrahl 52 herstellen lässt. Der Hochfrequenz-Plasmabrenner 50 umfasst dazu eine oder mehrere Induktionsspulen 54, durch welche ein Arbeitsgas (wie beispielsweise Argon, Helium oder Wasserstoff) zur Plasmabildung angeregt wird. Eine typische Anregungsfrequenz der Induktionsspule 54 liegt bei 500 kHz.
  • In das Plasma wird mittels eines Trägergases wie beispielsweise Argon ein Pulvermaterial eingeführt. Es lässt sich dadurch ein Plasmastrahl mit dem Pulver herstellen. Der Plasmastrahl 52 wird auf die Probe 44 gerichtet, um die Beschichtung aufzubringen. Das Pulver lässt sich auf die Probe 44 aufschmelzen, um die Porenstruktur 26 herzustellen.
  • Es ist vorgesehen, dass vor dem Einbringen der Probe 44 in den Vakuumkessel 42 diese sandgestrahlt wird und gereinigt wird.
  • Die Druckbedingungen bei der Beschichtung der Probe 44 in dem Vakuumkessel 42 liegen typischerweise bei 80 mbar bis 1 bar und vorzugsweise bei 200 mbar bis 300 mbar.
  • Um eine gradierte Porenstruktur 26 herzustellen, werden sukzessive unterschiedliche Lagen aufgebracht. Die Lagen unterscheiden sich in ihrer Porosität. Die Porosität lässt sich dadurch einstellen, dass unterschiedliche Pulvermaterialien und/oder unterschiedliche Beschichtungszeiten und/oder unterschiedliche Geschwindigkeiten des Plasmastrahls 52 eingestellt werden. Ferner ist eine Einstellung der Porosität möglich über Leistungsvariation des Hochfrequenzgenerators und/oder Variation des Abstands zwischen einer Plasmadüse und der Probe 44 und/oder Druckvariation und/oder Gasbeimischungen.
  • Nach der Herstellung einer Lage wird abhängig von der Schichtdicke eine Ruhezeit eingehalten, bevor die nächste Lage sukzessiv hergestellt ist. Eine typische Größenordnung einer solchen Ruhezeit liegt bei 2 min.
  • Durch das Aufbringen einer Lage auf eine darunter liegende Lage wird die darunter liegende Lage auch weiter verdichtet.
  • Ein Vorteil des Hochfrequenzplasmaspritzens liegt darin, dass sich ein großvolumiger Plasmastrahl 52 herstellen lässt, welcher einen geringen radialen Temperaturgradienten aufweist. Die Geschwindigkeit des Plasmastrahls 52 ist im Vergleich zu einem Gleichstromplasmastrahl relativ gering. Dadurch ist die kinetische Energie beim Aufprall von geschmolzenen oder beinahe geschmolzenen Pulverpartikeln auf die zu beschichtende Oberfläche der Probe 44 relativ gering.
  • Beispielsweise wurden Pulver verwendet wie das Kupferpulver Alpha Aeser, Lot 4323214, -155 +45 µm oder kommerzielles Inconell 625, -150 +45 µm.
  • Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann beispielsweise auch als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein, wobei dann das entsprechende Wärmeübertragungsflächenelement eine Wärmeübertragungsplatte ist.

Claims (37)

  1. Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement (14) mit einem Grundkörper (24), eine erste Seite (20), an welcher ein erstes Fluid zur Wärmeaufnahme vorbeiführbar ist, und eine zweite Seite (22), welche beheizbar ist, wobei an dem Grundkörper (24) an der ersten Seite (20) eine Porenstruktur (26) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet , dass die Porenstruktur (26) zum Grundkörper (24) hin eine kleinere Porosität aufweist als zu einer äußeren Oberfläche (30) hin.
  2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Porenstruktur (26) gradiert ist.
  3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität von dem Grundkörper (24) weg zu der äußeren Oberfläche (30) hin zunimmt.
  4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) als Beschichtung auf dem Grundkörper (24) ausgebildet ist.
  5. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) flächig an dem Grundkörper (24) angeordnet ist.
  6. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist.
  7. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Porenstruktur (26) im Bereich zwischen 5 µm und 500 µm liegt.
  8. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Porengröße im Bereich zwischen 1 µm und 200 µm liegt.
  9. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) in einem Dickenbereich von 0 % bis 20 % der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper (24), eine Porosität im Bereich zwischen 0 % und 30 % aufweist.
  10. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) in einem Dickenbereich zwischen 20 % und 70 % der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper (24), eine Porosität von 20 % bis 60 % aufweist.
  11. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 70 % und 100 % der Gesamtdicke, ausgehend von dem Grundkörper (24), mindestens um 10 % größer ist als die Porosität in einem Dickenbereich zwischen 20 % und 70 % der Gesamtdicke.
  12. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Porenstruktur (26) höchstens 80 % beträgt.
  13. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (24) mehrlagig ausgebildet ist, wobei sich unterschiedliche Lagen (32, 34, 36) in der Porosität unterscheiden.
  14. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit mindestens 8 µm beträgt.
  15. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist.
  16. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (24) aus einem metallischen Material hergestellt ist.
  17. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur (26) mittels eines einkomponentigen Pulvermaterials hergestellt ist.
  18. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (20) und die zweite Seite (22) des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements (14) einander abgewandt sind.
  19. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Seite (22) ein zweites Fluid zur Wärmeabgabe vorbeiführbar ist.
  20. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens Wärmeübertragungsflächenelement (14) geschlossen ausgebildet ist.
  21. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements (14) ein Rohr (12) gebildet ist.
  22. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeübertragungsflächenelement offen ausgebildet ist.
  23. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Wärmeübertragungsflächenelements eine Wärmeübertragungsplatte gebildet ist.
  24. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid eine verdampfbare Flüssigkeit ist.
  25. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid im Bereich des Blasensiedens vorliegt.
  26. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche mindestens ein Wärmeübertragungsflächenelement mit einer Porenstruktur aufweist, wobei die Porenstruktur an einem Grundkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Grundkörper zu einer äußeren Oberfläche hin die Porenstruktur mit zunehmender Porosität hergestellt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur als Beschichtung auf den Grundkörper aufgebracht wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur mehrlagig aufgebracht wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass Lagen sukzessive aufgebracht werden.
  30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Lagen sich in der Porosität unterscheiden.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in sukzessive aufgebrachten Lagen bezogen auf die vorher aufgebrachte Lage zunimmt.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einem Pulvermaterial hergestellt wird.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial einkomponentig ist.
  34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial Pulverpartikel mit einer mittleren Korngröße aufweist, welche zwischen 40 µm und 350 µm liegt.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Hochfrequenzplasmaspritzen aufgebracht wird.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität über Variation des aufgebrachten Materials und/oder einer Plasmastrahlgeschwindigkeit und/oder einer Beschichtungszeit und/oder der Leistung eines Hochfrequenzgenerators und/oder des Abstands zwischen Probe und einer Plasmadüse und/oder des Drucks und/oder Gasbeimischung eingestellt wird.
  37. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Aufbringen im Bereich zwischen 80 mbar und 1 bar liegt.
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