Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherstruktur mit einem Körper und stiftförmigen, im Wesentlichen parallel

zueinander ausgerichtete Längsachsen aufweisenden Wärmeüberträgern zum Austausch von Wärme zwischen dem Körper und einem die Wärmeüberträger umgebenden Fluidum, also einer Flüssigkeit oder einem Gas, wobei die Wärmeüberträger mit einem Ende über Fügepunkte an einer Oberfläche des Körpers befestigt sind. Weiter betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmetauscherstruktur und zu deren Verwendung .

Derartige Wärmetauscherstrukturen werden zum Beispiel als Kühlkörper elektronischer Bauteile, wie Computerprozessoren oder Leistungselektronikkomponenten eingesetzt. Häufig sind derartige Kühlkörper als Gussteile oder Schmiedeteile ausgeführt, was eine Mindestdicke bzw. einen Mindestquerschnitt der stiftförmigen Wärmeüberträger fertigungstechnisch bestimmt .

Die DE 69329548 T2 offenbart eine gattungsgemäße Wärmetauscherstruktur, bei der die Wärmeüberträger mittels eines Schmiedeverfahrens an dem Körper befestigt sind. Die Fügepunkte bilden beim Schmieden einen homogenen Material - Übergang aus, d.h. die Materialien des Körpers und der

Wärmeüberträger gehen direkt ineinander über. Beim Schmieden muss jedoch eine relativ große Kraft eingesetzt werden, um die Wärmeüberträger an dem Körper zu befestigen bzw. aus dem Grundkörper im Gesenk auszubilden. Diese Krafteinwirkung führt dazu, dass Verformungen des Körpers und der Wärmeüberträger auftreten, wenn deren Materialstärke zu gering gewählt ist.

Da die Effizienz der Übertragung von Wärme mittels einer Wärmetauscherstruktur mit der Oberfläche der Wärmetauscherstruktur zunimmt und die Oberfläche mit sinkender Material - stärke, insbesondere der Wärmeüberträger, vergrößert werden kann, ist die Leistungsfähigkeit der bekannten gattungsgemäßen Wärmetauscherstrukturen herstellungsbedingt, aufgrund der erforderlichen Mindestmaterialstärken, stark eingeschränkt .

Die US 2006/0 126 308 AI beschreibt eine Kühlvorrichtung zur Ableitung von Wärme, die eine elektronische Vorrichtung erzeugt, wobei Stifte an eine Oberfläche eines Trägers gebunden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauscherstruktur und ein Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik verringert, wobei ein erhöhter Wärmeübertrag zwischen dem Fluidum und dem Körper ermöglicht werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 sowie die Verwendung gemäß Anspruch 20 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur weist einen Körper und stiftförmige , im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Längsachsen aufweisende Wärmeüberträger zum Austausch von Wärme zwischen dem Körper und bevorzugt einem die Wärmeüberträger umgebenden Fluidum auf, wobei die Wärmeüberträger mit einem Ende über Fügepunkte an einer Ober- fläche des Körpers befestigt sind. Unter im Wesentlichen parallel wird verstanden, dass die Wärmeüberträger bei der Fertigung parallel zueinander ausgerichtet werden, wobei die parallele Ausrichtung im Rahmen üblicher Fertigungstoleranzen liegt. Die Wärmeüberträger werden bevorzugt zumindest bereichsweise von dem Fluidum wärmeübertragend durch- bzw. umströmt. Die Wärmetauscherstruktur enthält also mindestens zwei der Längsachse parallel zueinander angeordnete Wärmeüberträger, wobei mindestens eine Seite der Wärmeüberträger an einen insbesondere flachen Körper

kontaktiert ist.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen die Wärmeüberträger eine maximale Querschnittsfläche auf, welcher kleiner als 0,25 mm ² , oder kleiner als 0,1 mm ² oder kleiner als 0,01 mm ² ist. Dies kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung erreicht werden, indem der Querschnitt eine Breite bzw. Länge von weniger als 0,5 Millimeter, insbesondere kleiner 0,3 Millimeter, aufweist. Länge bzw. Breite des Querschnitts bezeichnen im Falle von runden Querschnitten den Durchmesser, im Falle abweichender Geometrien den

Umkreis bzw. die größten Außenabmessungen des Querschnitts eines einzelnen Wärmeüberträgers Durch die erfindungsgemäßen geringen Querschnittsdimensionen wird eine enge Packung der Wärmeüberträger ermöglicht. Es können so viele Wärmeüberträger auf einer kleinen Oberfläche des Körpers

nebeneinander befestigt werden. Dadurch wird eine sehr große Kontaktoberfläche der Wärmetauscherstruktur mit dem Fluidum ermöglicht, was zu einem großen Wärmeübertrag zwischen

Fluidum und Körper führt. Die Wärmeüberträger können z.B. aus Fasern oder Garnen oder Draht bestehen. Weiter kann auch an den anderen Enden der Wärmeüberträger ein weiterer insbesondere flacher Körper in gleicher Weise befestigt sein. Durch die Wärmeüberträger wird eine Oberflächenvergrößerung an der fluidumseitigen, z.B. gasseitigen,

insbesondere luftseitigen, Oberfläche der Wärmetauscherstruktur erreicht . Der zumindest eine Körper ist eine Hohlform, so dass sich im Inneren des Körpers ein erster Fluidkanal ausbildet, durch welchen ein erstes Wärmeträgermedium strömen kann. Der

Querschnitt durch eine solche Hohlform kann polygonal oder rund sein, beispielsweise in Form eines Flachrohres oder eines Rundrohres oder auch eine Freiformfläche bilden.

Dadurch bildet sich im Körper zumindest ein Fluidkanal. Die Wärmeüberträger können auf der Innen- und/oder auf der

Außenseite des Körpers angeordnet sein, um so die

Wärmeübertragung auf das erste Wärmeträgermedium und/oder auf das den Körper umströmende Fluid zu verbessern.

In einigen Ausführungsformen können die Wärmeüberträger auf einer Grundplatte angeordnet werden, welche wiederum auf der Außenseite einer Rohrwandung gefügt wird. Das Fügen kann stoffschlüssig erfolgen. Die Wandung des fertigen Körpers ist dann zwei- oder mehrschichtig ausgeführt.

In einigen Ausführungsformen kann der Körper eine flächige Grundform aufweisen, in welche beiderseits Vertiefungen eingeprägt sein können. Die Vertiefungen können zueinander versetzt angeordnet sein, so dass die Vertiefungen auf der Unterseite eines Körpers zwischen den Vertiefungen auf der Oberseite des entsprechenden Körpers zu liegen kommen.

Hierdurch ist es möglich, eine Mehrzahl von Körpern durch Wärmeüberträger beabstandet voneinander anzuordnen. Die Wärmeüberträger übernehmen somit einerseits die Funktion, den Wärmeaustausch zwischen den in den ersten Fluidkanälen und zweiten Fluidkanälen strömenden Wärmeträgermedien zu erhöhen. Daneben bilden die Wärmeüberträger auch

Abstandselemente, so dass sich zwischen benachbarten

Oberflächen von benachbarten Körpern diese zweiten

Fluidkanäle ausbilden können.

Die Fügepunkte können dazu einen inhomogenen Materialübergang der Wärmeüberträger zu dem Körper ausbilden. Als inhomogene Materialübergänge werden Materialübergänge bezeich- net, bei denen das Material der Wärmeüberträger und des Körpers nicht direkt ineinander übergehen. Es besteht z.B. ein Zwischenmaterial, das die Wärmeüberträger z.B. mit dem Körper verklebt oder verlötet. Fügetechniken, die zum Ausbilden von derartigen Fügepunkten führen, kommen ohne oder fast ohne die Notwendigkeit einer Kraftübertragung auf den Körper und/oder die Wärmeüberträger aus. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei erfindungsgemäß geringen Querschnitten der Wärmeüberträger auch inhomogene Materialübergänge zu einer erhöhten Effizienz der Wärmetauscherstruktur führen können, obwohl inhomogene Material - Übergänge die Wärmeleitung zwischen den Wärmeüberträgern und dem Körper verringern können. Dieser Effekt tritt bei maximalen Querschnittsbreiten von Wärmeüberträgern zwischen 0,01 Millimeter bis 3 Millimeter, bevorzugt von 0,05

Millimeter bis 0,5 Millimeter auf.

Der Körper einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur kann eine Rohrwand mit einer Materialstärke in einem

Dickenbereich zwischen etwa 0,005 mm bis etwa 0,1 mm oder etwa 0,1 mm bis etwa 1,0 mm oder etwa 1,0 mm bis etwa 10 mm ausgebildet sein. Ein derartiger flacher Körper kann einen dünnen Quader, z.B. aus Blech oder einer Folie, einer

Platte, einer flachen Heat-Pipe, oder einer Scheibe, ausbilden. Die Rohrwand kann von einem mit einem Fluid durchströmbaren rechteckförmigen Gebilde, wie z.B. einem Flachrohr, ausgebildet sein.

Der Körper und/oder die Wärmeüberträger können z.B. aus metallischen Materialien und/oder deren Legierungen, insbesondere Kupfer, Aluminium oder Edelstahl und/oder aus kohlenstoffhaltigen Materialien, insbesondere Kohlefasern, Aktivkohlefasern und/oder Glas- oder Keramik und/oder aus Polymermaterialien, insbesondere Polypropylen (PP) , Polyethylen (PE) , Polyamid (PA) , Polyetherketone (PEK) , Polyester (PET) und/oder aus Verbundstoffen daraus gefertigt sein. Weiter können der Körper und/oder die Wärmeüberträger als Heat-Pipe, z.B. hergestellt aus Kanülen, ausgeführt sein. Vorteilhaft sind der Körper und/oder die Wärmeüberträger aus Metall gefertigt. Die Fügepunkte können dabei Lötstellen oder Sinterpunkte, d.h. Stellen, die durch

Sintern miteinander fest verbunden sind, ausbilden. Die Lötstellen können durch Hart- oder Weichlöten erzeugt sein.

Insbesondere bei einem Einsatz einer erfindungsgemäßen

Wärmetauscherstruktur in einem strömenden Fluidum können die Wärmeüberträger eine Oberflächenstrukturierung zur

Strömungsoptimierung und/oder Wärmeübertragungsoptimierung aufweisen. Weiter können die Wärmeüberträger einen

strömungswiderstandoptimierenden Querschnitt aufweisen. Die Querschnittsform der Wärmeüberträger kann z.B. rund, d.h. kreisförmig sein. Vorteilhaft weisen die Wärmeüberträger Wärmeübergangs- und/oder strömungsoptimierte Querschnitte auf. Die Wärmeüberträger können dabei z.B. aus Profildraht mit einer strömungsgünstigen Querschnittsform, z.B. Tunfisch- , Delphin-, Pinguin- förmig oder einem Ellipsenquerschnitt gebildet werden. Dies führt zu geringem Druckverlust bei gleichzeitig hohem Wärmeübergangskoeffizient in durchströmten Wärmetauscherstrukturen und somit geringer

Dissipation in der Strömung.

Die Wärmeüberträger können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, welche ausgewählt sein können aus Kreis, Ellipse, Polygon, Dreieck, Tropfenform, einer Thunfisch-, Delphin-, oder Pinguinform. Die Wärmeüberträger können unterschiedliche Dimensionen, d.h. z.B. unterschiedliche Drahtabmessungen in Querschnitt und Länge, aufweisen. Die Oberflächenstrukturierung der Wärmeüberträger zur

Strömungsoptimierung kann auch eine Mikrostrukturierung, wie z.B. Haihautstruktur, aufweisen. Derartige Mikrostrukturierung sowie bestimmte Drahtanordnungen und Draht- dimensionen, d.h. unterschiedliche Draht-Abmessungen und - Abstände, sind für eine Optimierung des Wärmeübergangs bei gleichzeitig geringem Druckverlust geeignet. Derart ergibt sich für die Wärmetauscherstruktur bei gleicher Leistung ein geringeres Gewicht sowie ein kleineres Bauvolumen und somit eine höhere Massen- und Volumeneffizienz.

In einer Ausführungsform können die Wärmeüberträger in ein Sorbens eingebettet, insbesondere damit beschichtet sein. Bei einem Sorbens handelt es sich um ein meist poröses Material, das zu einer Absorbtion oder Adsorption, d.h.

einer Aufnahme und Wiederabgabe, von einer Menge des die Wärmeüberträger umgebenden, insbesondere umströmenden

Fluidums geeignet ist. Alternativ oder zusätzlich können auch Latentwärmespeicher und/oder katalytisch wirkende Materialien verwendet werden. Es wird derart eine kompakte Wärmetauscherstruktur bereitgestellt, welche als Sorber und/oder Wärmespeicher und damit als Teil einer Klimamaschine verwendbar ist.

Ebenfalls vorteilhaft, insbesondere für eine Verwendung in einem Verdampfer, Kondensator oder einem Sorber, können die Wärmeüberträger Hinterschneidungen aufweisen. Dadurch kann das Verdampfen und/oder die Speicherung des Fluidums verbessert sein.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur weist der Körper Bohrungen auf, wobei die Wärmeüberträger im Bereich der Fügepunkte in die Bohrungen hineinreichen. Dies erleichtert die Befestigung der Wärmeüberträger an dem Körper.

Eine sehr hohe Effizienz zum Austauschen von Wärme ergibt sich bei einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur, wenn die Wärmeüberträger auf der Oberfläche homogen verteilt befestigt sind, wobei die Mittelpunkte der Fügepunkte der Wärmeüberträger, also die zentralen Positionen der

Längsachsen der Wärmeüberträger, 0,01 Millimeter bis 20 Millimeter, insbesondere 0,04 Millimeter bis 10 Millimeter, insbesondere 0,1 Millimeter bis 4 Millimeter, voneinander beabstandet sind oder wenn die Wärmeüberträger auf der

Oberfläche inhomogen verteilt befestigt sind, wobei die Mittelpunkte der Fügepunkte der Wärmeüberträger 0,01

Millimeter bis 50 Millimeter, insbesondere 0,04 Millimeter bis 25 Millimeter, insbesondere 0,1 Millimeter bis 10

Millimeter, voneinander beabstandet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer

erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur weist folgende

Verfahrensschritte auf:

Bereitstellen eines Körpers, insbesondere aus einem

Flachmaterial, Bereitstellen von stiftförmigen Wärmeüberträgern mit einer Querschnittsfläche von weniger als

0,25 mm ² , oder weniger als 0,1 mm ² oder weniger als 0,01 mm ² , Befestigen jeweils einen Endes der Wärmeüberträger an einer Oberfläche des Körpers über Fügepunkte, wobei die Längsachsen der Wärmeüberträger im Wesentlichen parallel

zueinander ausgerichtet sind.

Das Befestigen der Wärmeüberträger mit dem insbesondere flachen Körper kann in einigen Auführungsformen der

Erfindung durch die folgenden Fertigungsverfahren erfolgen: Fügen, z.B. Löten, Schweißen, Kleben oder Einpressen, oder Urformen, z.B. Gießen, Sintern, oder Sprühkompaktieren . Die Wärmeüberträger können durch Lasersintern auf den

insbesondere flachen Körper aufgebracht werden. Sowohl die Wärmeüberträger als auch der Körper können ebenfalls durch Lasersintern erstellt werden. Die Direktanbindung vieler Drähte als Wärmeüberträger an ein Blech oder an ein

Flachrohr als Körper wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens effizient ermöglicht. Das Handling einer großen Drahtanzahl ist dabei leicht umsetzbar.

Die Wärmeüberträger werden vorteilhaft in einem Bündel bereitgehalten. Insbesondere derart können diese zumindest im Wesentlichen gleichzeitig an der Oberfläche befestigt werden können. Als Bündel wird bezeichnet, wenn die zu befestigenden Wärmeüberträger mit ihren Längsachsen im

Wesentlichen parallel nebeneinander bereit gehalten werden. Dabei müssen diese sich nicht zwangsläufig berühren. Sie können auch mittels z.B. Abstandshalter beabstandet

nebeneinander gehalten oder geführt werden. Es muss also keine dichte Packung der Wärmeüberträger vorliegen.

Erfindungsgemäß werden die Wärmeüberträger als Stränge von Endlosmaterial, insbesondere Draht, bereitgestellt, wobei eine Anzahl von Strängen entsprechend der Anzahl der Wärmeüberträger parallel geführt werden und die Wärmeüberträger als die freien Enden der Stränge im Wesentlichen gleichzeitig von den Strängen abgeschnitten (Ablängen) werden. Dabei können Stränge der Wärmeüberträger bei der Herstellung durch mindestens einen perforierten flachen Körper geführt bzw. positioniert werden. Die perforierten flachen Körper lassen sich dann auf eine gewünschte Position schieben und mit den Wärmeüberträgern kontaktieren. Eine erfindungsgemäße Wärmeüberträgerstruktur kann z.B. derart mit mindestens einem Endlos (Profil -) Draht , z.B. einem Draht auf einer

Spule, hergestellt werden.

Wenn die Wärmeüberträger aus mindestens einem Endlos (Profil- ) Draht, z.B einem Draht auf einer Spule, hergestellt werden, kann das Ablängen nach dem Kontaktieren an den insbesondere flachen Körper z.B. wie folgt erfolgen: Schneiden durch Verschieben von zwei aneinander liegenden positionierten Kapillarrohren, Kanülen, Hohlnadeln oder Röhrchen, durch die mindestens einer der Endlos (Profil- ) Drähte geführt wird oder Schneiden durch z.B. Schneidstempel, Messer und/oder Schere oder Schneiden mittels eines Lasers. Die Wärmeüberträger können dazu bei der Herstellung durch folgende Bauteile positioniert bzw. geführt werden: Kapillarrohre, Kanülen, Hohlnadel oder Röhrchen. Weitere führende bzw.

positionierende Bauteile oder Verfahren zur Positionierung können sein: z.B. Rundmaterial -Schüttung, Lochmaske,

perforierte Maske, Lochmatrize/perforierte Platte, Draht- führungsdüse , z.B. wie beim Schweißen oder Draht-Bonden, Kamm, Webblatt und/oder Siebgewebe. Wenn die Wärmeüberträger einen strömungsoptimierten Querschnitt aufweisen und/oder in einer speziellen Form auf der Oberfläche des Körpers zu positionieren sind, können die Wärmeüberträger dabei durch die führenden bzw. positionierenden Bauteile aus einer Faser mit beliebigem Querschnitt umgeformt werden, bzw. so geführt werden, dass die Ausrichtung einer nicht runden Faser definiert ist.

Die aus mindestens einem Endlos (Profil- ) Draht gefertigten Wärmeüberträger können durch Stricken oder Wirken zwischen zwei Lotdrahtebenen erstellt werden. Dabei werden parallel ausgerichtete Drähte durch z.B. Stricken mit im Abstand gehaltenen Netzen angeordnet. Die Strukturhöhe ist durch den Abstand der Netze gut definierbar. Die Drähte werden durch Netze beim Einlegen in die Wärmetauscherstruktur fixiert. Die aufgespannten Drahtnetze aus Lotdraht lösen sich beim Verlöten komplett auf. Das Lot zieht sich in den

Umlenkungszwickel des Drahtes.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die

Oberfläche des zu Körpers mit einer Lotfolie versehen werden, ehe die Wärmeüberträger aufgebracht werden, wobei die Lotfolie nachfolgend durch Erwärmung aufgeschmolzen wird und die Wärmeüberträger fügt .

Eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann auch mit zuvor auf Länge gebrachten Wärmeüberträgern hergestellt werden, d.h. die Wärmeüberträger werden bereits als

stiftförmige Teile in gewünschter Länge bereitgehalten.

Insbesondere das Bündel der Wärmeüberträger kann dann vor der Befestigung an der Oberfläche durch Kanülenschüttung oder Vollmaterialschüttung gebildet werden.

Die bereits auf Länge gebrachten Wärmeüberträger können bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruk- tur mit temperaturbeständigen und wieder entfernbaren, z.B. herausziehbaren, auflösbaren und/oder verbrennbaren,

Abstandshalter-Stücken, z.B. Aluminiumdrähten, Salz, Kalk oder Gips, gleichmäßig durchmischt werden oder mit diesen beschichtet werden und danach in einer transversal zur

Längsachse der Wärmeüberträger angebrachten Umfassung, seitlich zur Längsachse geklemmt werden. Die Abstandshalter werden dann nach dem Befestigen der Wärmeüberträger an der Oberfläche des Körpers wieder entfernt.

Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherstruktur mit Hilfe von Kapillarrohren, Kanülen, Hohlnadel oder Röhrchen können diese unter sich wie folgt positioniert sein: mit deren Längsachse parallel zueinander angeordnet und rechtwinklig zur Längsachse der Wärmeüberträger, z.B. einer geklemmten Schüttung, oder eingepasst in eine

Lochmatrize oder perforierte Platte.

Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann insbesondere als Kühlkörper oder als Verdampfer und/oder Kondensator in einer Kältemaschine oder Wärmepumpe oder als Wärmetauscher von einem Gas auf eine Flüssigkeit oder als Wärmespeicher oder als Trägerstruktur für katalytische oder sorptive

Prozesse verwendet werden. Bei einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn in die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur mindestens ein Heizdraht, insbesondere aus Kupfer, Kupfer-Nickel -Legierungen, Nickelchrom-Legierungen, Konstantan, Manganin, Nickel -Eisen-Legierungen und/oder Kanthai, integriert ist. Wenn die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur als Kühlkörper, insbesondere für

Computerbauteile (freie und erzwungene Konvektion / passiv und aktiv) , elektronische Bauteile (Leistungselektronik, Computer), mechanische Bauteile (z.B. Stirlingmotor) oder chemische Anwendungen verwendet wird, ist der Körper der Wärmetauscherstruktur mit dem entsprechenden Bauteil in gut wärmeleitender Weise verbunden, so dass Wärme von dem Bauteil über den Körper und die Wärmeüberträger an das Fluidum abgegeben werden kann.

Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann auch als Radiator verwendet werden bzw. Teil eines Radiators sein.

Wenn die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur als

Verdampfer und/oder Kondensator verwendet wird, kann

insbesondere eine Ausführungsform der Wärmetauscherstruktur mit einer Oberflächenbehandlung und/oder einem an den freien Enden der Wärmeüberträger (Pin-Enden) angebrachten Gewebe zum Erzeugen einer Hinterschneidung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann auch in der Wärmeübertragung an Luft oder andere gasförmige Medien, insbesondere in Rückkühlern, Abgaswärmetauschern,

Konvektoren, Lüftungsgeräten, Ölkühlern, Computern oder Leistungselektronik, in der Wärmeübertragung an Wasser oder andere flüssige Medien, in Anwendungen mit Phasenwechsel (Verdampfung, Kondensation, fest/flüssig) und/oder chemischen Reaktionen sowie in Kombination mit Sorptionsmaterialien oder katalytischen Beschichtungen, d.h. als Trägerstruktur für katalytische Prozesse, verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur kann also z.B. in der Haustechnik, Automobilindustrie, der Kraftwerkstechnik und/oder in industriellen Anwendungen verwendet werden, insbesondere zum Übertragen von Wärme zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit oder zwischen zwei Gasen.

Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden

Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur und eine Fotografie zur Befestigung der als Drahtpins ausgeführten Wärmeüberträger an dem als Blech ausgeführten Körper der Wärmetauscherstruktur. Fig. 2 zeigt eine Wärmetauscherstruktur gemäß Figur 1, wobei ein zweites Blech als weiterer Körper an die Drahtpins ohne Drahtfixierung angelötet ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur, wobei Wärmeüberträger (Pins) auf einem rechteckigen Blech befestigt sind.

Fig. 4a und 4b zeigen Wärmeüberträger mit Hinterschneidungen im Querschnitt, wie sie z.B. bei einer Verwendung einer Wärmetauscherstruktur in einem Verdampfer und/oder Kondensator ausgeführt sein können.

Fig. 5a und 5b zeigen die Anordnung von Wärmeüberträgern

einer Wärmetauscherstruktur im Falle einer Einbettung bzw. Beschichtung mit einem Sorbens oder

Wärmespeichermaterial .

Fig. 6a bis 6c zeigen Illustrationen zu dem

erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren einer Wärmetauscherstruktur .

Fig. 7a und 7b zeigen die Anordnung von Wärmeüberträgern

einer Wärmetauscherstruktur bei deren Herstellung unter Verwendung eines Verfahrens, bei dem ein Bündel der Wärmeüberträger durch Kanülenschüttung oder

Vollmaterialschüttung gebildet wird.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen

Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer ersten Ausführungsform.

9 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen

Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer zweiten Ausführungsform . Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur mit mehreren Fluidkanälen .

In Figur 1 ist auf der rechten Seite eine Fotografie einer Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur 1 und auf der linken Seite eine Fotografie zur Befestigung der als

Drahtpins, also als stiftförmige Drahtstücke, ausgeführten Wärmeüberträger 3 an dem als Blech ausgeführten Körper 4 der Wärmetauscherstruktur 1 dargestellt. Die Wärmeüberträger 3 sind mit ihren Längsachsen im Wesentlichen parallel

zueinander ausgerichtet und über Fügepunkte 5 einen Endes an einer Oberfläche 6 des Blechs befestigt, d.h. mit dem flachen Körper 4 kontaktiert. Die Fügepunkte 6 werden von Lötstellen bzw. einer großen Lötstelle ausgebildet. Im dargestellten Beispiel sind 34 Drahtpins an dem Blech befestigt. Die Drahtpins weisen einen Drahtdurchmesser von 0,23 mm auf. Sie sind mit einem Drahtabstand von ca. 0,63 mm voneinander beabstandet .

Zur Befestigung der Drahtpins an dem Blech sind diese in einer Kanülen-Schüttung als Bündel 7 in einem Kupferrohr 8 eingeklemmt, was auf der linken Fotografie erkennbar ist. Zum einseitigen Anlöten an dem Blech ist das Bündel 7 der Drahtpins mit einem Draht 9 umwickelt, um einen definierten Abstand von Kupferrohr 8 und flachen Körper zu

gewährleisten. Es wird also eine Direktanbindung vieler Wärmeüberträger 3 an das Blech oder z.B. an ein Flachrohr (nicht dargestellt) vorgenommen, um effiziente, insbesondere Volumen-, Massen- und energetisch effiziente, Wärmetauscherstrukturen für unterschiedliche Anwendungsgebiete zu

fertigen .

In Figur 2 ist eine Wärmetauscherstruktur 1 gemäß der in Figur 1 gezeigten Wärmetauscherstruktur 1 dargestellt, wobei jedoch ein zweites Blech 21 als weiterer Körper an die

Wärmeüberträger 3 ausbildenden Drahtpins angelötet ist, wozu keine Drahtfixierung notwendig ist. In Figur 3 ist eine Ausführungsform einer Wärmetauscherstruktur 1 dargestellt, wobei Wärmeüberträger 3, z.B.

stiftförmige Drähte, d.h. Pins, auf einem rechteckigen Blech bzw. einer Rohrwand eines Flachrohres als Körper 4 befestigt sind. Die Pins sind homogen auf einer Oberfläche des Blechs verteilt befestigt.

Die Wärmetauscherstruktur 1 ermöglicht den direkten, d.h. kürzesten Weg für einen Wärmestrom von dem Körper 4, z.B. einem Blech oder Flachrohr, über die Wärmeüberträger 3, z.B. Drähte oder Heat-Pipes in das die Wärmeüberträger 3

umgebende Fluidum. Somit ergibt sich ein geringer

Materialeinsatz und damit geringes Gewicht der Wärmetauscherstruktur 1. Bei Verwendung von Micro-Heatpipes als Wärmeüberträger 3 ergibt sich eine hohe Wärmeleitung und ein hoher Wärmedurchgang, wodurch ein großer Flachrohrabstand und somit geringes Flachrohrgewicht möglich ist.

Für Wärmetauscherstrukturen 1, z.B. wie dargestellt, sind Drahtpins im Durchmesserbereich von 0,05 mm bis 0,5 mm, bei einem Drahtabstandsbereich von 0,1 mm bis 3 mm besonders günstig einzusetzen. Erreicht werden damit

volumenspezifische Oberflächen bis 18138 Quadratmeter pro Kubikmeter (m ² /m ³ ) bei der Konfiguration Drahtdurchmesser 0,05 mm und Drahtabstand 0,1 mm bei versetzter Drahtanordnung. Die größte Herausforderung hierbei ist das Handling der enorm großen Anzahl von 34500 Drahtpins auf einer Fläche von 10 mm x 30 mm. Bei einer Konfiguration Drahtdurchmesser 0,1 mm und Drahtabstand 0,35 mm und versetzter Drahtanordnung entspricht das 2822 Drähte auf einer Fläche von 10 mm x 30 mm. Die volumenspezifische Oberfläche beträgt hierbei 2961 m ² /m ³ .

In den Figuren 4 ist jeweils eine Wärmetauscherstruktur 1 mit Wärmeüberträgern 3 mit Hinterschneidungen 40 im

Querschnitt dargestellt, wie sie z.B. bei einer Verwendung einer ßen Wärmetauscherstruktur in einem Verdampfer und/oder Kondensator ausgeführt sein können. Die Wärmeüberträger 3 sind einseitig an den Körper 4 angebunden. Die

Hinterschneidungen 40 werden durch Verdickungen 41, wie in Figur 4a, oder Aufspreizungen 42, wie in Figur 4b, an den freien Enden der Wärmeüberträger 3 erzeugt . An den freien Enden der Wärmeüberträger (Pin-Enden) kann dazu z.B. ein Gewebe angebracht sein, um eine geometrische Hinter- schneidung 40 zu erzielen. Die Hinterschneidungen 40

steigern die Verdampferleistung und die Arbeitsmittelaufnahme bei Verwendung der Wärmetauscherstruktur 1 in einem Kondensator .

In den Figuren 5 ist jeweils die Anordnung von homogen verteilten Wärmeüberträgern 3 bei einer Wärmetauscherstruktur im Falle einer Einbettung bzw. Beschichtung 50 mit einem Sorbens dargestellt.

Figur 5a zeigt eine versetzte Drahtanordnung von z.B. als Drahtpins ausgeführten Wärmeüberträgern 3 einer als Sorber verwendbaren Wärmetauscherstruktur. Durch die versetzte Anordnung ergibt sich eine wabenförmige Grundfläche 52 bezogen auf jeden einzelnen Drahtpin, deren Durchmesser z.B. ca. 0,1 mm betragen kann. Die beschichteten Drahtpins sind voneinander beabstandet angeordnet . Bei der Beschichtung von Wärmeüberträgern, z.B. Draht, mit Sorbens bildet sich eine formschlüssige Verbindung zwischen Sorbens und Wärmeüberträgern 3, d.h. das Sorbens umschließt den Draht. Im Vergleich zu beschichteten ebenen Flächen besitzen mit Sorbens umschlossene Wärmeüberträger 3 eine bessere Verbindung. Dies kann z.B. bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Sorbens und Trägerstruktur sowie bei

Stoßbelastungen und/oder Vibrationen vorteilhaft sein.

Drahtabstände sowie -durchmesser sind flexibel anpassbar, dadurch ist eine Optimierung der Struktur für verschiedene Beschichtungen, z.B. binderbasiert oder Direktauf- kristallisation möglich. Eine konvexe Oberfläche ermöglicht im Vergleich zu ebenen Oberflächen ein höheres Beschichtungs-Trägerstruktur-Massenverhältnis bei gleicher Beschichtungsstärke .

Figur 5b zeigt ebenfalls eine versetzte Drahtanordnung einer Wärmetauscherstruktur, z.B. für einen Latentwärmespeicher. Ein vergleichsweise schlecht wärmeleitendes Speichermaterial kann mit einer Wärmetauscherstruktur zur Erhöhung des

Wärmedurchgangs durchsetzt sein. Die Anordnung entspricht derjenigen aus Figur 5a, wobei jedoch die Beschichtung 50 mit einem Speichermaterial so dick ist, dass benachbarte Beschichtungen 50 von z.B. als Drahtpins ausgeführten Wärmeüberträgern 3 sich berühren können.

In den Figuren 6 sind Illustrationen zu dem

erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren einer Wärmetauscherstruktur dargestellt. In Figur 6a ist gezeigt, wie Wärmeüberträger 3 ausbildende Drähte, die als Endlosdrähte oder Drahtstücke vorliegen können, in einem Bündel von Drahtpins an einem den Körper 4 ausbildenden Blech direkt angebunden, d.h. auf dessen Oberfläche befestigt werden. Die Darstellung kann z.B. ein vergrößerter Ausschnitt aus Figur 6b sein. Um das Bündel auszubilden, sind die Drähte zu deren

Positionierung durch Drahtführungen 60 in einer Halteplatte 61 geführt.

Figur 6b zeigt eine Apparatur zur Direktanbindung von aus Endlosdrähten auszubildenden Wärmeüberträgern 3 an ein Blech oder ein Flachrohr als Körper 4 einer Wärmetauscherstruktur. Das Blech oder Flachrohr wird von einer Blechhalteplatte 60 bereitgestellt. Die als Stränge eines Endlosmaterials, also eines Drahtes, bereitgestellten stiftförmigen Wärmeüberträger 3 sind durch Drahtklemmen 68 in einer

Drahtführungsplatte 62 geführt und werden derart als Bündel bereitgestellt. Zum Ablängen der Wärmeüberträger 3 von den endlos vorliegenden Drähten sind zwei gegeneinander

verschiebbare Schneidplatten 63 auf einer Plattenführung 64 schienenartig geführt. Die Schneidplatten 63 weisen ferner Aussparungen 66 für eine Drahtklemmung auf, damit die nach dem Ablängen freien Enden des Endlosmaterials für die

Fertigung der nächsten Wärmetauscherstruktur festgehalten werden können. Die Bewegung zum Abschneiden ist in der Figur durch einen Doppelpfeil dargestellt. Die Wärmeüberträger 3 werden also als Stränge von Endlosmaterial, d.h. Draht, bereitgestellt, wobei eine Anzahl von Strängen entsprechend der Anzahl der Wärmeüberträger parallel geführt werden und die Wärmeüberträger als die freien Enden der Stränge im Wesentlichen gleichzeitig von den Strängen abgeschnitten werden. Die zur Befestigung der Wärmeüberträger 3 an der Oberfläche des Blechs verwendete Vorrichtung, z.B. eine Lötapparatur, ist in der Figur der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Endlosdrähte können als Einzeldrähte jeweils auf einer separaten Rolle, d.h. entsprechend der Anordnung vieler Spulen bei z.B. einer Spinnmaschine

bereitgehalten werden, wobei die Drähte ebenfalls

entsprechend der Fasern bei einer Spinnmaschine

zusammengeführt werden können um sie entsprechend Figur 6b als Bündel bereit zu halten. Weiter können, die Endlosdrähte auch zusammen auf einer Rolle vorliegen. Dazu können in der Garnindustrie bekannter Weise viele Drähte von Drahtspulen zusammengeführt und auf eine Rolle umgespult werden.

Figur 6c zeigt ebenfalls eine Apparatur zur Direktanbindung von aus Endlosdrähten gebildeten Wärmeüberträgern 3 an ein Blech, wobei jeweils ein perforiertes Blech 67, d.h. ein Blech mit Bohrungen, in denen die Wärmeüberträger befestigt werden, eingesetzt wird. Das jeweilige perforierte Blech 67 wird als Körper der aktuell herzustellenden Wärmetauscherstruktur in einer Blechhalteplatte 60 bereitgehalten. Eine Drahtführungsplatte 62 ist auf schienenartigen Plattenführungen 64 gelagert, um eine relative Beweglichkeit der Blechhalteplatte 60 und der Drahtführungsplatte 62 zu ermöglichen. Die als endlose Stränge vorliegenden Drähte werden durch Drahtklemmen 68 in der Drahtführungsplatte 62 als Bündel gehalten. Die Drähte sind zwischen Blechhalteplatte 60 und Drahtführungsplatte 62 durch einen Stapel aus perforierten Blechen 69 geführt.

In den Figuren 7 ist die Anordnung von Wärmeüberträgern 3 einer Wärmetauscherstruktur dargestellt, bei deren

Herstellung ein Verfahren verwendet wird, bei dem ein Bündel der Wärmeüberträger 3 durch Kanülenschüttung oder

Vollmaterialschüttung gebildet wird. Für die Drahtzufuhr zum Bereitstellen der Wärmeüberträger 3 sind unterschiedliche Fertigungsvarianten möglich. Im Falle von Drahtpins, die bereits die gewünschte Länge aufweisen, kann eine Handhabung der Drahtpins entsprechend der Pinselfasern bei der

Pinselherstellung erfolgen. Zur Drahtpositionierung kann eine Kanülen-Schüttung, wie in Figur 7a schematisch

dargestellt, als Drahtpositionierung/Drahtführung eingesetzt werden. Die z.B. als Drähte ausgeführten Wärmeüberträger 3 sind dabei innerhalb von Kanülen 70 als Abstandshalter vorgehalten, um ein Bündel von Wärmeüberträgern 3

bereitzuhalten. Die Kanülen 70 sind mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet und rechtwinklig zu den

Längsachsen untereinander geklemmt oder in eine Lochmatrize eingepasst. Dadurch können die Wärmeüberträger 3 mit deren Längsachsen parallel zueinander angeordnet und rechtwinklig zu den Längsachsen in der Schüttung geklemmt werden.

Alternativ dazu ist in Figur 7b eine Voll (Rund) material - Schüttung als Drahtpositionierung/Drahtführung dargestellt. Die Abmessungen als Beispiel zeigen auf, dass der Abstand und der Durchmesser der Wärmeüberträger 3 in einem

bevorzugten Bereich liegen. Die Voll (Rund) materialien 72 bilden Abstandshalter für die Wärmeüberträger 3, um eine zu deren Befestigung am Körper der Wärmetauscherstruktur gewünscht beabstandete Bündelung zu erreichen.

Bei einer Drahtführung mit Drahtpins ist die erforderliche Breite der Wärmetauscherstruktur auf einmal herstellbar, bzw. die Drahtführung z.B. Kanülenführung besitzt die erforderliche Länge. In anderen Ausführungsformen der

Erfindung können die Drahtpins auch Schrittweise über die erforderliche Breite der Wärmeübertragerstruktur eingeführt werden, d.h. die jeweils eingeführten Drahtpinbündel

besitzen eine kleinere Breite als die erforderliche Breite der Wärmeübertragerstruktur. Beim Erreichen der

erforderlichen Breite der Wärmeübertragerstruktur wird dann gefügt. Beim Widerstandsschweißen ist auch eine Drahtführung so kurz wie die Drahtpins-Zufuhr möglich. Bei einer

Drahtführung mit Endlos-Draht kann die maximale Breite berechnet werden, wenn eine bestimmte Rollenbreite, z.B. 1 m, herangezogen wird und auf der Rolle die erforderliche Drahtzahl vorhanden ist, wobei jeder Draht auf der Rolle eine gewisse Breite beansprucht. Beispiel: Rolle 1 m Breite, 1 mm Breite für einen Faden, d.h. Draht, ergibt 1000 Fäden auf der Rolle. Bei einem Drahtabstand von 0,3 mm ergibt das eine maximale Breite von 300 mm für eine Drahtebene.

Figur 8 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer ersten Ausführungsform . Dargestellt ist ein Körper 4, welcher beispielsweise Teil eines Rohres einer Wärmetauscherstruktur sein kann oder aber auch Teil eines flächigen Körpers, welche beispielhaft in Figur 2 oder Figur 3 dargestellt sind .

Der Körper 4 ist mit Öffnungen 46 versehen, welche

beispielsweise durch Stanzen oder Prägen in die Oberfläche des Körpers 4 eingebracht werden können. In anderen

Ausführungsformen der Erfindung kann eine Öffnung 4 auch durch Bohren hergestellt sein. Hierdurch kann sich ein Grat bzw. Überstand ausbilden, wie in Figur 8 ersichtlich ist.

Weiterhin befindet sich auf dem Körper 4 eine Lotfolie 10. Die Wärmeüberträger 3 durchdringen die Lotfolie 10 und werden mit einem Ende in die zugeordnete Bohrung 46

eingeführt. Durch Erwärmen des Körpers 4 kann die Lotfolie 10 aufgeschmolzen werden, so dass sich eine sichere

Stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Körper 4 und dem Wärmeüberträger 3 ausbildet. Hierzu kann der sich

ausbildende Grat vorteilhaft beitragen, indem dieser die Kontaktfläche zwischen den Wärmeüberträgern 3 und dem Körper 4 vergrößert .

Figur 9 zeigt einen Schnitt durch die Verbindung zwischen Wärmeüberträger und Wärmetauscherstruktur in einer zweiten Ausführungsform . Auch der Körper 4 gemäß dieser Ausführungs- form wird vor dem Einbringen und Fügen der Wärmeüberträger 3 umgeformt. Dies kann beispielsweise durch ein Prägewerkzeug erfolgen, welches eine Mehrzahl von Vertiefungen 45 in die Oberfläche des Körpers 4 einprägt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Vertiefungen 45 auch beim Urformen oder durch Umformen des Körpers 4 erzeugt werden. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Vertiefungen 45 dadurch erzeugt werden, dass das dem Körper 4 zugewandte Ende der Wärmeüberträger 3 den

Körper 4 verformt .

Im Anschluss an die Herstellung der Vertiefungen 45 wird in jede Vertiefung zumindest ein Wärmeüberträger 3 eingebracht. Dies kann vorteilhaft dadurch erfolgen, dass eine Mehrzahl von Wärmeüberträgern 3 in einem Führungselement geführt werden, welches ein zur Mehrzahl der Vertiefungen 45

identisches Raster bzw. Muster aufweist.

Nachdem die Wärmeüberträger 3 in den Vertiefungen 45

aufgenommen sind, erfolgt das Herstellen der Fügestelle 3, beispielsweise durch Kleben, Löten oder auch Schweißen.

Figur 10 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wärmetauscherstruktur mit mehreren Fluidkanälen . Die Wärmetauscherstruktur enthält Körper 4, auf welchen

Wärmeüberträger 3 aufgebracht sind, wie vorstehend

beschrieben. Hierzu enthalten die Körper 4 Vertiefungen 45, welche die Wärmeüberträger 3 aufnehmen. Die Körper 4 selbst sind Hohlformen, so dass sich im Inneren des Körpers 4 ein erster Fluidkanal 81 ausbildet, durch welchen ein erstes Wärmeträgermedium strömen kann.

Die Körper 4 bestehen aus einer flächigen Grundform, in welche beiderseits Vertiefungen 45 eingeprägt sind. Die Vertiefungen 45 können zueinander versetzt angeordnet sein, so dass die Vertiefungen auf der Unterseite eines Körpers 4 zwischen den Vertiefungen auf der Oberseite des

entsprechenden (selben) Körpers zu liegen kommen. Hierdurch ist es möglich, eine Mehrzahl von Körpern durch

Wärmeüberträger 3 beabstandet voneinander anzuordnen. Die Wärmeüberträger 3 übernehmen somit einerseits die Funktion, den Wärmeaustausch zwischen den in den ersten Fluidkanälen 81 und den zweiten Fluidkanälen 82 strömenden

Wärmeträgermedien zu erhöhen. Daneben bilden die

Wärmeüberträger auch Abstandselemente, so dass sich zwischen benachbarten Oberflächen von benachbarten Körpern 4 zweite Fluidkanäle 82 ausbilden können.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese

Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.