DE10343151B4

DE10343151B4 - Instationärer Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10343151B4
Application number: DE10343151A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Girlich; Jürgen Dr. Schädlich-Stubenrauch; Carsten Kühn
Original assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Current assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: DE10343151A1

Abstract

Instationärer Wärmetauscher, bestehend aus einem von einem Fluid (3) durchströmten Wärmeleitungselement (1), welches Wärme von einer Wärmequelle (W) ableitet, wobei das Wärmeleitungselement (1) aus einer offenporigen Schaumstruktur besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitungselement (1) durch einen Schwingungserreger (2) in Schwingung versetzt ist, wobei der Schwingungserreger (2) eine zweidimensional in einer Ebene liegende Schwingungsbewegung des Wärmeleitungselements (1) oder eine eindimensional auf einer Geraden liegende Schwingungsbewegung induziert, die die laminare Strömung des Fluids (3) durch das Wärmeleitelement (1) in eine turbulente Strömung umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur ableiten. Für eine effektive Wärmeableitung und Abgabe der Wärme an kühlere Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen die Kühlkörper der Wärmetauscher vielfach ein Rippenprofil auf. In Abhängigkeit von der bezweckten Anwendung sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmetauschern bekannt.

Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs wird in DE 101 23 456 A1 erstmals ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der aus offenporigem Metallschaum besteht, dessen Zellen derart miteinander verbunden sind, das ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann. An den offenporigen Metallschaum ist ein Bauelement stoffschlüssig angegossen. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieses porenförmigen Wärmetauschers ist aus DE 102 07 671 C1 ersichtlich.

JP 057153458 A beschreibt ein wärmeableitendes Material aus gesintertem Metallpulver oder einer Schicht aus einer perforierten Netzstruktur aus Aluminium oder Stahl auf einer nichtporösen Basisplatte zur Ableitung der Wärme. Die Schicht ist in einer Dicke von 0,7 bis 1,5 mm ausgeführt, so daß die mögliche hohe Wärmeleitfähigkeit des offenporigen Metallschaums nicht hinlänglich effizient abgerufen wird. Ebenso beschreibt JP 59052198 A einen Wärmetauscher aus einer Aluminium-Schaumstruktur. Dieser weist jedoch eine geschlossenporige Schaumstruktur auf, so daß der wünschenswerte hohe Wärmefluß nicht erreicht werden kann.

DE 37 32 653 A1 legt einen Heizkessel bzw. Warmwasserbereiter mit einem Wärmetauscher aus Keramik- oder Metallschaum offen; zudem ist in JP 11190595 A ein Wärmetauscher aus porösem Metall als Ummantelung eines Rohres beschrieben.

Wärmetauscher sind des weiteren aus Metallschaum für elektronische Bauteile u. a. aus EP 0 559 092 A1 , US 61 96 307 B1 , DE 100 55 454 A1 , JP 7161884 A und JP 57153458 A bekannt. Eine Weiterentwicklung von Wärmetauschern wie nachfolgend beschrieben ist aus den oben angeführten Schriften und dem sonstig bekannten Stand der Technik nicht angeregt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiter zu entwickeln. Insbesondere sollen Wärmetauscher geschaffen werden, die aufgrund einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit und einem höheren Wärmefluß eine kleinere Dimensionierung erlauben und sich durch eine nachhaltig kürzere Reaktionszeit auf Temperaturschwankungen der Wärmequelle auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht gleichfalls aus einem von einem Fluid durchströmten Wärmeleitungselement, welches Wärme von einer Wärmequelle ableitet. Das Wärmeleitungselement besteht aus einer offenporigen Schaumstruktur, bei der die Zellen, welche die Schaumstruktur bilden, untereinander vernetzt sind. Die Zellen sind chaotisch geformt und strukturiert. Die offenporige Schaumstruktur des Kühlkörpers gibt Wärme bzw. Kälte an ein durchströmendes Fluid ab.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Wärmetauscher mit einem Schwingungserreger auszustatten, welcher die Schaumstruktur in Schwingung versetzt. Erfindungsgemäß wird durch diese Schwingung eine hochgradig turbulente Strömung im durchströmenden Fluid erzeugt und induziert, wobei die offenporige, chaotische Struktur des Kühlkörpers das Ausbilden einer turbulenten Strömung des Fluids unterstützt. Dem Gedanken der Erfindung folgend ist in Kombination mit der chaotischen Schaumstruktur und dem Schwingungserreger eine nur zweidimensional oder eindimensional induzierte Schwingungsbewegung für eine nachhaltige Verwirbelung des Fluids erforderlich.

Erfindungsgemäß wird also die laminare Strömung des Fluids verhindert. Das Anliegen der Erfindung wird durch die verhältnismäßig dünne mittlere Stegdicke der Zellwände weiter unterstützt. Die mittlere Stegdicke liegt unterhalb von fünf Prozent der mittleren Porengröße der Struktur. Diese geringe Stegdicke legt eine Grundlage für Turbulenzen und Wirbelbildungen entlang der Abrißkanten und bildet die gewünschte instationäre Strömung des durchströmenden Fluids aus. Durch eine vorzugsweise hochfrequente Schwingung wird die in konventionellen Wärmetauschern vorhandene stationäre Grenzschicht – mit einer kleinen oder nicht vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit – entlang der Berandung vermieden; vielmehr kommt es zu einer mehrstufigen Verwirbelung sowie zu einer instationären Strömung des Fluids mit einem hohen Turbulenzgrad. Die Verwirbelung besteht im allgemeinen aus einer großen Wirbelbildung aufgrund der chaotischen Schaumstruktur und erfindungsgemäß aus darin – von der Schwingungsbewegung induzierten – eingelagerten kleinen Wirbelbildungen zur Vermeidung der Grenzschicht.

Die turbulente Strömung ergibt einen nachhaltig verbesserten Wärmefluß und Wärmeübergang zwischen dem Wärmeleiter und dem durchströmenden Fluid. Die ebene oder geradlinige Schwingungsbewegung des Wärmeleitelements kann zur Wärmequelle in einfacher Weise gedämpft werden; die Übertragung von Resonanzschwingungen an die Wärmequelle ist somit betriebssicher vermieden.

Die offenporige Schaumstruktur weist eine Porosität von 10 bis 45 ppi auf. Die Schwingungsamplitude liegt vorzugsweise unterhalb von 5 Prozent der mittleren Porengröße der Schaumstruktur. Die Frequenz und die Amplitude der Schwingung ist an ein gasförmiges Fluid, im allgemeinen Luft, oder an ein flüssiges, im allgemeinen ein Newtonsches Fluid, angepaßt. Die Schaumstruktur besteht in einer bevorzugte Ausführungsform aus Metallschaum, namentlich aus einer AlSi7-Legierung.

Die Schwingungserregung ist mit vielfältigen, grundsätzlich bekannten Varianten möglich, so in einer mechanischen Ausführungsform, beispielsweise durch ein Feder-Masse-System oder durch eine exzentrisch gelagerte rotatorische Anregung; letztere kann vorteilhaft durch einen in die Schaumstruktur eingelagerten Mikromotor realisiert werden. Bei einer elektromagnetischen Ausführung könnte durch ein magnetisches Wechselfeld die Schwingungsbewegung induziert werden, wobei bei einer nicht-magnetischen Schaumstruktur (z. B. Keramik) vorzugsweise ferromagnetische Einlagerungen verwendet werden.

Für eine elektroakustische Anregung bietet sich der Einsatz von Lautsprechern an, zumal hiermit auch die bevorzugten hochfrequenten Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt werden können.

Der Vorteil des Wärmetauschers gemäß der Erfindung ist die effektivere Ableitung von Wärme. Auf Temperaturschwankungen der Wärmequelle kann der Wärmetauscher aufgrund des erhöhten Wärmeflusses mit einer nachhaltig kürzeren Reaktionszeit begegnen und somit wie gewünscht zur Kühlung von temperatursensiblen Bauelementen oder Maschinenteilen verwendet werden. Mit seinem hohen Wirkungsgrad kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher gegenüber bisherigen Ausführungen kleiner und leichter ausgeführt sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen (1 und 2) näher erläutert.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit einer elektroakustischen Schwingungserregung als Ummantelung eines Rohres (Wärmequelle W). Das Wärmeleitungselement 1 bildet die Ummantelung des Rohres und besteht aus einer offenporigen Schaumstruktur aus Aluminiumsiliciumcarbid. Dieser Metall-Keramik-Verbundwerkstoff vereinigt die effektive Wärmeleitfähigkeit von Al und SiC und ist in diesem Beispiel mit seiner ausgezeichneten Temperaturbeständigkeit im höheren Temperaturbereich im Einsatz. Die Schaumstruktur 1 ist von Luft als Fluid 3 in Richtung des Rohres durchströmt. Die Porosität der Struk tur 1 liegt im innenliegenden Bereich an der Wärmequelle W bei 30 ppi und fällt nach außen auf 15 ppi ab. Die elektroakustische Schwingungserregung 2 besteht aus einer Ultraschallquelle. Sie induziert eine eindimensionale Schwingungsbewegung der Schaumstruktur 1 in Richtung der Flußrichtung des durchströmenden Fluids 3.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher zur Kühlung von temperaturempfindlichen Maschinenteilen (Wärmequelle W) mit einer mechanischen Schwingungserregung durch eine exzentrische Rotationsbewegung. Der Wärmetauscher besteht aus einem von einem Fluid 3 durchströmten Wärmeleitungselement 1, welches die Wärme von einer Wärmequelle W aufnimmt und ableitet. Das Wärmeleitungselement 1 besteht aus einem offenporigen Metallschaum, namentlich aus einer AlSi7-Legierung, weist eine Porendichte von 25 ppi auf und ist von Luft durchströmt. Der Schwingungserreger 2 ist hier gleichzeitig als Ventilator ausgebildet, dessen Ventilatorblätter exzentrisch rotatorisch gelagert sind. Der exzentrisch gelagerte Ventilator ist an der Deckfläche des Wärmetauschers angebracht und saugt das durchströmende Fluid 3, namentlich die Kühlluft, aus der Metallschaumstruktur 1 und induziert eine ebene, zweidimensionale Schwingungsbewegung des Wärmeleitungselements 1. Im weiteren ist zwischen der Wärmequelle W und dem Metallschaum 1 eine zusätzliche offenporige Schaumstruktur eingelagert, welche eine Schwingungsbewegung des Wärmeleitungselements 1 erlaubt. Diese zwischenliegende Schaumstruktur ist aus Polyurethan-Schaum ausgebildet und weist eine metallische Oberflächenschicht auf, die den Wärmefluß in Richtung des Wärmeleitungselements 1 weiter unterstützt. Die Zwischenschicht vermeidet Resonanzschwingungen der Wärmequelle W.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:

W: Wärmequelle
1: Wärmeleitungselement aus Schaumstruktur
2: Schwingungserreger
3: durchströmendes Fluid

Claims

Instationärer Wärmetauscher, bestehend aus einem von einem Fluid (3) durchströmten Wärmeleitungselement (1), welches Wärme von einer Wärmequelle (W) ableitet, wobei das Wärmeleitungselement (1) aus einer offenporigen Schaumstruktur besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitungselement (1) durch einen Schwingungserreger (2) in Schwingung versetzt ist, wobei der Schwingungserreger (2) eine zweidimensional in einer Ebene liegende Schwingungsbewegung des Wärmeleitungselements (1) oder eine eindimensional auf einer Geraden liegende Schwingungsbewegung induziert, die die laminare Strömung des Fluids (3) durch das Wärmeleitelement (1) in eine turbulente Strömung umwandelt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (2) die Schwingungsbewegung des Wärmeleitungselements (1) mechanisch, über ein Feder-Masse-System oder über eine exzentrische Rotationsbewegung, impliziert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (2) die Schwingungsbewegung des Wärmeleitungselements (1) elektromechanisch, elektromagnetisch, elektroakustisch, pneumatisch oder hydraulisch impliziert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus Metallschaum besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus Aluminium oder einer Legierung des Grundstoffes Aluminium besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus einer AlSi7-Legierung besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus Kunststoff besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus Polyurethan besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus Siliciumcarbid besteht. 1 1. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) aus Aluminiumsiliciumcarbid besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstruktur (1) eine Porendichte von 10 bis 45 ppi aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (2) Schwingungen impliziert, deren Amplitude kleiner gleich fünf Prozent der mittleren Porengröße der Schaumstruktur (1) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Stegdicke der Schaumstruktur (1) kleiner gleich 2 mm ist.