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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Grundkörper, der mit kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, die insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder Graphen- beziehungsweise Graphitplättchen hergestellt sind, wärmetechnisch in Verbindung steht.
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Stand der Technik
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Aus der
US 2007 15 85 84 A ist ein Kühlkörper bekannt, der einen Grundkörper aufweist, von dem eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nano-Tubes ausgehen.
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Offenbarung der Erfindung
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In der Elektrotechnik, insbesondere in der Leistungselektronik treten beispielsweise bei E-Fahrzeugen Leistungsspitzen im Betrieb auf, die zu großen Wärmemengen der Leistungselektronikbauteile führen. Diese Wärmemengen müssen abgeführt werden. Bisher erfolgt dies durch Flüssigkühlung. Derartige Kühlsysteme sind aufwändig und teuer, da durch die notwendigen Komponenten wie Kühlkreislauf, Kühlwasser und Pumpe, ein erhebliches Mehrgewicht und erhebliche Kosten generiert werden.
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Grundkörper, der mit kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, die insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder Graphen- beziehungsweise Graphitplättchen hergestellt sind, wärmetechnisch in Verbindung steht. Es ist dabei mindestens ein Gaskanal, vorgesehen, der zumindest teilweise vom Grundkörper gebildet ist, wobei die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern zumindest bereichsweise im Gaskanal verlaufen. Der Gaskanal führt zu einer sehr effizienten Kühlung. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Kühlung erläutert. Die Erfindung erfasst jedoch auch die Ausgestaltung in Form einer Heizung, das heißt, ein mit dem Grundkörper in wärmetechnischer Verbindung stehendes Bauteil wird in einem derartigen Falle mittels eines den Gaskanal durchströmenden Gasheizstromes erwärmt. Im Falle der Kühlung gibt ein zu entwärmendes, mit dem Grundkörper wärmetechnisch verbundenes Bauteil, insbesondere ein Leistungselektronikelement, seine Wärme an den Grundkörper, also den Gaskanal, ab, wobei der Gaskanal, genauer: zumindest ein Teil einer Wandung des Gaskanals, die Wärme zu den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern überträgt, die sich in dem Gaskanal zumindest bereichsweise befinden. Die erfindungsgemäße Entwärmung von Leistungselektronik erfolgt somit bevorzugt gegen die Umgebungsluft als Wärmesenke. Ein optionaler Mediumkanal führt mittels Kühlflüssigkeit (Kühlmittel) die Wärme von der Leistungselektronik zum Gaskanal. Im Gaskanal geht die Wärme von den Fasern in das Gas beziehungsweise die Luft über. Der Grundkörper steht mit den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern/Garnen wärmetechnisch in Verbindung. Gaskanal bezeichnet dabei den Kanal, in dem sich die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern befinden. Durch die sehr große Oberfläche wird der Wärmeübergang in das Gas (insbesondere Luft) stark erleichtert und so die Effizienz erhöht. Der Mediumkanal ist insbesondere flüssigkeitsdurchströmbar. Er dient dazu, eine Wärmequelle mit der Wärmesenke (also dem Gaskanal) zu verbinden. Insbesondere wird eine erzwungene Konvektion des Kühlmittels verwendet, bevorzugt ein Lüfter, der zum Beispiel Luft durch den Mediumkanal, insbesondere Gaskanal, bläst, sodass die erwähnten Nachteile einer Flüssigkühlung nicht auftreten. Gleichwohl ist bei der Erfindung eine sehr effektive und kostengünstige Kühlung erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern entlang des Querschnitts, insbesondere einer Querschnittsfläche, vorzugsweise Querschnittsebene, des Gaskanals erstrecken, wobei der Querschnitt quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Gaskanals verläuft. Durch diese Ausgestaltung tritt der Kühlmediumstrom, insbesondere die Kühlluft, quer gegen die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, wodurch eine sehr gute Wärmeabführung erzielt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmetauscher direkt mit einer Wärmequelle verbunden. Dabei liegt die Wärmequelle beispielsweise direkt an einem Wandabschnitt des Wärmetauschers an, um einen direkten Wärmeübergang von der Wärmequelle zu dem Wärmetauscher zu gewährleisten. Alternativ weist der Wärmetauscher bevorzugt - wie bereits erwähnt - einen Mediumkanal auf, der zur indirekten Verbindung mit der Wärmequelle von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist oder durchströmt wird. Die Kühlflüssigkeit transportiert die Wärme von der Wärmequelle zu dem Wärmetauscher und sorgt damit für die indirekte Verbindung. Zweckmäßigerweise strömt die Kühlflüssigkeit dabei in Richtung von der Wärmequelle zu dem Wärmetauscher.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern zumindest bereichsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Im Gaskanal bilden die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern dadurch quasi eine Parallelstruktur.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern ein Netz, vorzugsweise in der Art eines Maschendrahts, bilden. An die Stelle der erwähnten Parallelstruktur tritt in diesem Falle dann eine Netzstruktur.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern ein Flechtwerk bilden. Die Fasern sind miteinander verflochten, wodurch sie auch eine verbesserte mechanische Stabilität erhalten und somit durch den Gasstrom nicht verformt werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern ein Gewebe bilden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern ein Gestrick bilden.
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Durch die verschiedenen Maßnahmen wie zum Beispiel Flechtwerk, Gewebe oder das erwähnte Gestrick wird eine besonders große Oberfläche bei der von den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern gebildeten Struktur im Gaskanal erzielt, was die Wärmeabfuhr verbessert.
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Es ist vorteilhaft, wenn die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern direkt mit dem Grundkörper verbunden sind. In einem solchen Fall kann der Grundkörper seine Wärme unmittelbar an die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern abgeben.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern von einem wärmeleitenden Haltekörper gehalten sind, der im Gaskanal angeordnet und mit diesem wärmetechnisch verbunden ist. Die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern werden bei der Erstellung des Wärmetauschers somit an einem Haltekörper befestigt, wobei letzterer wiederum im Gaskanal angeordnet wird. Dies vereinfacht die Herstellung. Beim Anordnen des Haltekörpers im Mediumkanal wird dieser wärmetechnisch mit letzterem verbunden ist, sodass der Grundkörper seine Wärme auf den Haltekörper und dieser auf die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern übertragen kann.
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Der Haltekörper kann vorzugsweise als Halterahmen ausgebildet sein. Dieser Halterahmen wird dann mit den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern „bespannt“.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Haltekörper und/oder von kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern gebildete Querschnitte, insbesondere Querschnittsflächen, in Längserstreckung des Gaskanals hintereinanderliegend in diesem angeordnet sind. Durch die mehreren Haltekörpern beziehungsweise mehreren Querschnitte wird eine entsprechend große Oberfläche der kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern insgesamt erzielt, mit der Folge, dass die Wärme sehr gut abgeführt werden kann.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren erläutert, und zwar zeigt:
- 1 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher mit kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern,
- 2 den Wärmetauscher der 1 im Querschnitt, jedoch mit einem Haltekörper für die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern,
- 3 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers im Querschnitt mit netzartig strukturierten Fasern nach Art eines Maschendrahts, und
- 4 einen Wärmetauscher im Querschnitt nach einem weiteren Ausführungsbeispiel mit kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, die ein Gewebe bilden.
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Die 1 zeigt schematisch einen Wärmetauscher 1, der einen Grundkörper 2 aufweist. Der Grundkörper 2 ist als Gaskanal 3 ausgebildet. Der Gaskanal 3 hat einen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt und daher zwei Grundwände 4 und 5 sowie zwei Seitenwände 6 und 7. Die Grundwände 4 und 5 stehen sich einander parallel gegenüber; die Seitenwände 6 und 7 stehen sich ebenfalls parallel gegenüber. Der Gaskanal 3 ist ein Luftkanal. Dies bedeutet, dass durch ihn ein Kühlgas hindurchströmt, vorzugsweise Luft. Die Strömung kann durch natürliche Konvektion erfolgen oder durch erzwungene Konvektion, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Lüfters.
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Der Gaskanal 3 besitzt einen Querschnitt 9. In einer Querschnittsebene 10, die senkrecht zur Längserstreckung des Gaskanals 3 verläuft, befinden sich eine Vielzahl von kohlenstoffnanobasierten Fasern (CNB), die als Kohlenstoff-Nano-Tubes (CNT) ausgebildet sind. Die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) verlaufen im Ausführungsbeispiel der 1 im Wesentlichen parallel zueinander. Sie erstrecken sich zwischen den beiden Grundwänden 4 und 5, vorzugsweise über die gesamte Querschnittsebene 10, das heißt, es laufen eine Vielzahl von kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) parallel zueinander über die gesamte Breite des Gaskanals 3. Die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) stehen mit dem Gaskanal 3 wärmetechnisch in Verbindung.
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An der Außenseite des Gaskanals 3, im Ausführungsbeispiel der 1 an der Grundwand 4, ist ein sich im Betrieb erwärmender Gegenstand 11 angeordnet, der zum Beispiel als Leistungselektronikbauteil ausgebildet sein kann. Erwärmt sich dieser Gegenstand 11 im Betrieb, so gibt er seine Wärme an den Mediumkanal 3 ab. Vom Mediumkanal 3 gelangt die Wärme dann zu den wärmetechnisch gut leitenden kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB), insbesondere Kohlenstoff-Nano-Tubes (CNT). Ein durch den Mediumkanal 3 strömender Gasstrom (nicht dargestellt) führt die Wärme von den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) ab.
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Das Ausführungsbeispiel der 2 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1. In den 2 bis 4 ist der Gegenstand 11 aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt. Die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) sind wärmetechnisch mit mit einem wärmeleitenden Haltekörper 12, der als Halterahmen 13 ausgebildet ist, verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 2 sind am Halterahmen 13 kohlenstoffnanostrukturbasierte Fasern (CNB) im Parallelverlauf zueinander angeordnet. Der Halterahmen 13 ist am Grundkörper 2 angeordnet, vorzugsweise derart, dass die Rahmenquerschnittsfläche senkrecht auf der Längserstreckung des Grundkörper 2 steht. Das Ausführungsbeispiel der 2 hat den Vorteil, dass die Bespannung des Halterahmens 13 mit den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) außerhalb des Grundkörper 2 erfolgen kann. Ist dies erfolgt, so wird der bespannte Halterahmen 13 in den Grundkörper 2 eingesetzt. Das Einsetzen erfolgt derart, dass eine wärmetechnische Verbindung zwischen dem Halterahmen 13 und dem Grundkörper 2 vorliegt. Denkbar ist ein Verstemmen des Halterahmens 13 im Grundkörper 2. Weiterhin weist der Wärmetauscher 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Mediumkanal 8 auf, der insbesondere Kühlmittelflüssigkeit von einer Wärmequelle zu dem Wärmetauscher 1 führt.
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Nicht dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, das der 1 oder 2 entspricht und sich von dieser dadurch unterscheidet, dass mehrere Faserquerschnitte oder Halterahmen 13 in Längserstreckung des Grundkörper 2 hintereinanderliegend in diesem angeordnet sind. Hierdurch wird die Oberfläche der kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) entsprechend vergrößert.
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Das Ausführungsbeispiel der 3 entspricht dem Ausführungsbeispiel der 2, wobei jedoch lediglich der Unterschied besteht, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) nicht parallel zueinander verlaufen, sondern ein Netz 14 bilden, vorzugsweise wie ein Maschendraht.
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Beim Ausführungsbeispiel der 4 liegt ein Wärmetauscher 1 entsprechend der 1 vor, wobei jedoch ebenfalls keine parallel zueinander verlaufenden kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) Verwendung finden, sondern ein Gewebe 15, das aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) besteht.
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Die Erfindung lässt sich insbesondere im Bereich der E-Fahrzeuge einsetzen, nämlich um Leistungsspitzen von Leistungselektronikbauteilen zu kühlen. Vorzugsweise wird im Mediumkanal 3 eine erzwungene Konvektion von Luft durch einen Lüfter erzeugt. Vorteilhaft ist die durch die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) erzeugte große Wärmetauschoberfläche, wodurch ein sehr guter Wärmeübergang vom Festkörper zum strömenden Gas, insbesondere zur strömenden Luft, erzielt ist. Vorzugsweise werden kohlenstoffnanostrukturbasierte Fasern (CNB), insbesondere Fasern, die aus CNT oder Graphenplättchen bestehen, mit einem Durchmesser von 5 µm eingesetzt, die insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit >800 W/mK aufweisen. Hinzu kommt, dass ein derartiges Material eine sehr hohe Zugfestigkeit >1 GPa aufweist, wodurch sich filigrane Strukturen mit ausreichender Belastbarkeit realisieren lassen. Vorteilhaft ist ferner, dass textile Verfahren, wie Stricken, Flechten oder Weben eingesetzt werden können, um Strukturen mit den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) zu schaffen, die von dem Kühlmedium, nämlich dem Kühlgas, insbesondere der Luft, durchströmt werden können. Derartige Textilelemente lassen sich auch sehr gut vorfabrizieren.
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Beispielsweise kommt ein mit Halterahmen 13 versehener Wärmetauscher 1 zum Einsatz, wobei der Halterahmen 13 eine Breite von 10 cm und eine Höhe von 3 cm aufweist. Dieser kann vorzugsweise 2000 Windungen der kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) aufnehmen. Diese kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern (CNB) haben insbesondere einen Durchmesser von 10 µm. Insgesamt führt ein derartiger Halterahmen 13 zu einer Wärmetauschoberfläche von 0,0037 m2. Werden zirka 30, vorzugsweise 33 solcher Halterahmen 13 in einem Mediumkanal 3 eines Wärmetauschers 1 hintereinander eingesetzt, so ergibt sich insgesamt eine Wärmetauschoberfläche von 0,124 m2. Hierdurch lässt sich auf kleinem Raum und durch einfachste Herstellung ein effektiver Wärmetauscher 1 realisieren.
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Entsprechendes gilt für Wärmetauscher 1, die kohlenstoffnanostrukturbasierte Fasern (CNB) als Flechtwerk eines Netztuches (insbesondere Maschendraht) besitzen oder die ein Gestricke oder Gewebe aufweisen. Vorzugsweise hat ein Gestricke oder Gewebe zahlreiche Schussfäden, da diese eine direkte Verbindung zum Mediumkanal 3 bilden.
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Die hocheffizienten erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 lassen sich - wie erwähnt - insbesondere in der Leistungselektronik einsetzen. Weitere Anwendungsfälle sind jedoch Klimaanlagen, Haushaltsgeräte und so weiter. Wie bereits erwähnt, sind derartige Wärmetauscher 1 nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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