Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit einem Bauelement und wenigstens einem mit dem Bauelement in einem wärmeleitenden Kontakt stehenden Wärmeleitelement.

[0002] Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme in Richtung eines Temperaturgefälles zwischen zwei oder mehr Fluidenstoffströmen übertragen. Sie dienen einer gezielten Zustandsänderung dieser Fluide, sowie dem Kühlen, Erwärmen, Ändern des Aggregatszustandes und/oder sonstiger physikalischen Eigenschaften. Wärmetauscher werden in der Autoindustrie, im Motorbau, in der Energiewirtschaft, im Gerätebau, zur Anfertigung von Kryoapparatur sowie in Sonnenenergiegewinnungsanlagen vielfach angewandt. Die Effektivität des Wärmeaustausches hängt dabei in starkem Maße von der Kontaktfläche zwischen den beiden Wärme austauschenden Medien ab, die ihrerseits durch die Oberfläche eines mit einem Bauelement wärmeleitfähig verbundenen Wärmeleitelements definiert ist.

[0003] Aus der SU 1813605 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Rippen vorgesehenen Radiators bekannt, bei dem die Oberfläche eines entlang seiner Achse verschiebbaren Rohres mittels eines Schnittwerkzeugs auf eine die Wanddicke des Rohres nicht übersteigende Tiefe angeschnitten und die angeschnittene Schicht zur Seite hin gebogen wird. Durch einen derartigen Anschnitt lässt sich an der Oberfläche des Rohres ohne mechanische Verbindung zwischen dem Wärme ableitenden Element und dem Rohr eine Wärme ableitende Struktur mit einer vergrößerten Fläche zur Wärmeabgabe herstellen.

[0004] Nach diesem Verfahren lassen sich jedoch nur Wärmetauscher mit einem runden Querschnitt und mit einer ungenügend aufgegliederten Oberflächenstruktur der Wärme ableitenden Elemente herstellen, da die durch das Anschnittsverfahren erzeugte Fläche in starkem Maße von der Schnitttiefe abhängt, was seinerseits durch die Wanddicke des Rohres begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil des oben beschriebenen Verfahrens besteht in dem Verlust der mechanischen Stabilität des Rohres infolge der variablen Wanddicke des Rohres an den Schnittstellen.

[0005] Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Wärmetauschers vorzuschlagen, mit dem ohne jegliche mechanische Verbindung zwischen dem Wärmetauscher bildenden Bauelement und dem Wärmeleitelement eine gut entwickelte und einfach verformbare Wärme tauschende Oberfläche herstellbar ist.

[0006] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8.

[0007] Erfindungsgemäß lässt sich ein Wärmetauscher herstellen, der eine gut entwickelte und nach Belieben verformbare Wärmetauschoberfläche aufweist, bei deren Herstellung keine mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Wärmeleitelement vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, einen Wärmetauscher herzustellen, der gute thermophysikalische Eigenschaften sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Temperaturbeständigkeit aufweist. Ferner hat der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wärmetauscher gute strukturelle Eigenschaften in Form einer gut entwickelten Oberfläche und eines niedrigen hydraulischen Widerstandes, sowie einen zuverlässigen und homogenen Wärme leitenden Kontakt zwischen dem zu kühlenden Bauelement und dem Wärmeleitelement. Offenporige wärmeleitende Materialien, z. B., auf Kupferbasis, entsprechen in vollem Umfang den oben genannten Merkmalen des Wärmetauschers. Offenporige Wärmeleitelemente auf Kupferbasis zeichnen sich durch eine hohe innere Oberfläche, geringes Gewicht und eine Durchdringungsfähigkeit aus, die durch die Größe der Poren gezielt eingestellt werden kann. Durch ihre innere Struktur wird ein intensiver Wärmetausch bei einer erzwungenen Konvektion erreicht. Als Basismaterial gewährleistet Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine Möglichkeit zum Dauerbetrieb bei Temperaturen bis 150°-180° C. Was die Kontaktierung des Wärmeleitelements mit dem Bauelement angeht, so sind die modernen Technologien im Stande, einen zuverlässigen Kupfer-Kupferkontakt zu gewährleisten, der einen homogenen kontinuierlichen Übergang auf dem molekularen Niveau darstellt, wodurch die Wärmeleitfähigkeit an der Kontaktstelle nicht nachhaltig beeinflusst wird.

[0008] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0009] Der Wärmetauscher besteht aus einem Kupferrohr (99,99% Cu) mit einem Durchmesser D und einer vorgegebenen Länge. Eine offenporige Schaummatrix aus Polyurethan mit einem Porendurchmesser von 2,5-3,0 mm wird entsprechend geformt, wobei in der Schaummatrix eine der Form des Rohres entsprechende Vertiefung vorgesehen ist. Dann wird auf der Oberfläche der Schaummatrix mittels einer Kupferabscheidung aus einem Tartratelektrolyt eine Strom leitende Schicht aufgebracht und anschließend das Kupferrohr in die Vertiefung eingesetzt. Danach wird eine elektrochemische Metallisierung der Schaummatrix und der Außenfläche des Kupferrohrs im Kontaktbereich mit der Schaummatrix mittels einer elektrochemischen Kupferabscheidung aus einem Pyrophosphatelektrolyt so lange durchgeführt wird, bis das in den Poren der offenporigen Schaummatrix abgeschiedene Kupfer eine vorgegebene Dichte aufweist, z. B., 0,4 g/cm³.

[0010] Dadurch entsteht eine zuverlässige mechanische stabile und wärmeleitende Verbindung zwischen dem Kupferrohr und dem in den Poren der offenporigen Schaummatrix abgeschiedenen Kupfer. Diese Verbindung weist einen homogenen kontinuierlichen Kupfer-Kupferkontakt auf dem molekularen Niveau, wodurch die Wärmeleitfähigkeit an der Kontaktstelle ihren maximalen Wert erreicht.

[0011] Anschließend wird die Polyurethanschaummatrix in einem Medium eines dissoziierten Ammoniaks bei einer Temperatur von 820°C innerhalb von zwei Stunden thermochemisch entfernt. Prozesstemperaturen können dabei zwischen 650°C und 950°C variiert werden. Die Dauer der thermochemischen Entfernung der Schaummatrix kann bei höheren Temperaturen bis auf dreißig Minuten reduziert werden.

[0012] Der nach diesem Verfahren hergestellte Wärmetauscher hat ein Wärmeleitelement mit einer Porosität von 95 - 96% mit einem viskosen Permeabilitätsfaktor von ca. 10^-7 m², mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und Plastizität, mit einer Querfestigkeit von 0,2-0,3mPa und mit einem Porendurchmesser von ca. 2,5-3,0 mm.

[0013] Der auf dieser Weise hergestellte Wärmetauscher ist bis zu einer Höchsttemperatur von etwa 150° C dauerhaft belastbar.

[0014] Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers sieht eine Herstellung des Wärmeleitelements aus einem Material vor, dessen Wärmeleitfähigkeit die des Bauelements übersteigt, was zur Reduzierung der Abmessungen des Wärmetauschers beiträgt.

[0015] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Wärmetauscher mit unterschiedlicher Form des Wärmeleitelements sowie des Bauelements abhängig von vorgegebenen räumlichen Bedingungen bei der Montage herstellen.

[0016] Zur effektiven Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes kann als Rohr ausgeführte Bauelement wenigstens abschnittsweise gebogen werden. Ferner kann das zu kühlende Bauelement in Form einer Wand eines Behälters oder eines Elektronikbauteils ausgeführt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit einem Bauelement und wenigstens einem mit dem Bauelement in einem wärmeleitenden Kontakt stehenden Wärmeleitelement,
dadurch gekennzeichnet, dass

- auf das Bauelement eine offenporige Schaummatrix aus einem Kunststoff mit einer stromleitenden Oberfläche aufgebracht wird, wonach

- eine elektrochemische Metallisierung der Schaummatrix und wenigstens eines Teils des Bauelements durchgeführt wird, wodurch das Wärmeleitelement entsteht, wonach

- die Schaummatrix thermochemisch entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der stromleitenden Oberfläche eine stromleitende Schicht auf die Schaummatrix aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Rohr ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr wenigstens abschnittsweise gebogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Wand eines Behälters bildet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stromleitende Schicht mittels einer Kupferabscheidung aus einem Tartratelektrolyt auf die Schaummatrix aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Metallisierung mittels einer elektrochemischen Kupferabscheidung aus einem Pyrophosphatelektrolyt durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Entfernung der Schaummatrix in einem Medium eines dissoziierten Ammoniaks bei einer Temperatur zwischen 650°C und 950°C für die Dauer von wenigstens dreißig Minuten durchgeführt wird.