DE10023949C1 - Wärmetauscher, insbesondere Mikrostruktur-Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Es wird ein Wärmetauscher, insbesondere ein Mikrostruktur-Wärmetauscher (5), vorgeschlagen, der mindestens eine von einem ersten, gasförmigen oder flüssigen Medium (11) durchströmte, insbesondere metallische Hohlfaserstruktur (10) mit einer Vielzahl von Röhren (15) aufweist. Die Röhren (15) haben insbesondere einen mittleren Abstand zwischen 100 mum und 5 mm voneinander und eine Wandstärke zwischen 100 nm und 100 mum. Weiter ist die Hohlfaserstruktur (10) zumindest bereichsweise mit mindestens einem zweiten Medium (13) umgeben, das mit dem ersten Medium über die Hohlfaserstruktur (10) wärmeleitend in Verbindung steht. Dieses zweite Medium (13) ist oder enthält ein Material, das bei einer Wärmezufuhr oder einer Wärmeabfuhr einen Phasenwechsel durchläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere ei­ nen Mikrostruktur-Wärmetauscher, nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Die Speicherung von Wärme bzw. Kälte kann neben einer Spei­ cherung in Form von sensibler Wärme auch in latenter Wärme erfolgen, das heißt in Stoffen, die bei Wärmezufuhr bezie­ hungsweise Wärmeabfuhr einen Phasenwechsel durchlaufen. Der­ artige Materialien sind unter dem Begriff "phase change ma­ terial" (PCM) bekannt. Nachteilig bei diesen Materialien ist, dass sie im festen Zustand häufig eine geringe Wärme­ leitfähigkeit aufweisen, so dass bei einer Wärmezufuhr be­ ziehungsweise einer Wärmeabfuhr kurze Wärmediffusionswege im Feststoff erforderlich sind. Gleichzeitig erfordert dies ei­ ne hohe Dichte von Wärmeaustauscherstrukturen, um eine ef­ fektive Wärmeeinkopplung bzw. Wärmeauskopplung zu gewährlei­ sten.

Da die Herstellung einer Vielzahl von insbesondere kleinen Röhrchen und das Zusammenfügen dieser Röhrchen zu einem Wär­ metauscher in der Fertigung sehr teuer ist, wird bisher die effektive Wärmeleitfähigkeit in derartigen Materialien vielfach durch Lamellen zwischen Rohren beziehungsweise Platten in dem Wärmetauscher verbessert. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Kostenaufwand und insbesondere zu einem zusätzli­ chen Gewicht und Volumen dieser Wärmetauscher, was unter an­ derem beim Einsatz in Fahrzeugen nachteilig ist.

Weiter tritt bei den erläuterten Materialien, die bei Wärme­ zufuhr bzw. -abfuhr einen Phasenwechsel durchlaufen, in der Praxis stets eine Volumenänderung (Ausdehnung oder Kontrak­ tion) auf, was zu erheblichen mechanischen Belastungen in­ nerhalb des Wärmetauschers führt. Eine derartige Volumenän­ derung wird beispielsweise durch eine Kristallisation oder ein Schmelzen verursacht.

Zur Verringerung dieser Belastungen wurde bereits vorge­ schlagen, die Volumenänderung durch ein elastisches Verhal­ ten des Wärmeaustauschers zu kompensieren. So werden bei­ spielsweise in Eisspeichern der Firma Webasto, Stockdorf, für Lastkraftwagen Kunststoffrohre mit einer elastischen Falzung eingesetzt, die allerdings einen kleinen Wärmedurch­ gangskoeffizienten haben.

Ein alternatives Verfahren wird in WO 98/04644 A1 vorgeschla­ gen, in der eine Mikrostruktur in Form einer elastischen Graphitmatrix eingesetzt wird, wobei die Graphitmatrix Poren aufweist, in denen sich das "phase change"-Material befin­ det. Durch diese poröse Mikrostruktur wird zwar eine gute Wärmeübertragung gewährleistet, ihre Langzeitstabilität ist jedoch bisher nicht nachgewiesen worden. Zudem steht für ei­ ne derartige Mikrostruktur bisher keine brauchbare kosten­ günstige Produktionstechnik zur Verfügung.

Ein weiterer Ansatz zur Realisierung von Mikrostruktur- Wärmetauschern mit definierter Fluidführung durch die Kapillarinnenräume von metallischen Hohlfaserstrukturen ist in der Anmeldung DE 199 10 985 A1 vorgeschlagen worden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Wärmetauscher, insbesondere einen Mikrostruktur-Wärmetauscher, zur Verfü­ gung zu stellen, der zugleich hohe Wärmedurchgangskoeffizi­ enten und eine hohe Stabilität gegenüber Volumenänderungen bei gleichzeitig geringem Gewicht und Volumen aufweist, und der zudem billig und einfach zu produzieren ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass sich damit auch sehr kleine Rohrdurchmesser beziehungsweise Wandstärken der eingesetzten Rohre realisieren lassen, so dass nunmehr in einfacher Weise eine große Anzahl kleiner Röhrchen parallel oder in Form ei­ ner regelmäßigen Anordnung von Röhren verschaltet, werden kann. Somit sind einerseits kleine Rohrabstände und damit auch kleine Wärmediffusionslängen in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher realisierbar, was zu einer hohen Leistungs­ dichte führt, und andererseits ergibt sich auf Grund der kleinen Rohrdurchmesser eine erhöhte Stabilität trotz klei­ ner Wandstärken sowie ein geringes Gewicht.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat weiter den Vorteil, dass die eingesetzte, insbesondere metallische Hohlfaser­ struktur einfach und billig zu produzieren ist, ohne dass eine aufwendige Verfahrenstechnik beziehungsweise Verbin­ dungstechnik für die einzelnen Rohre in der Hohlfaserstruk­ tur erforderlich wäre.

Weiter ist vorteilhaft, dass der erfindungsgemäße Wärmetau­ scher trotz der Verwendung eines Materials, das bei einer Wärmezufuhr oder einer Wärmeabfuhr einen Phasenwechsel durchläuft, einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten auf­ weist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So eignet sich als metallische Hohlfaserstruktur besonders vorteilhaft eine Hohlfaserstruktur wie sie in der Anmeldung DE 199 10 985 A1 bereits vorgeschlagen worden ist. Dabei ist weiter vorteilhaft, dass es eine Vielzahl von Verschaltungs­ möglichkeiten für die eingesetzten Mikro-Röhren in einer derartigen Hohlfaserstruktur gibt, die im Einzelfall an die jeweiligen Anforderungen für den herzustellenden Wärmetau­ scher angepasst werden können.

Zur Absorption einer Volumenänderung, hervorgerufen durch einen durch Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr induzierten Phasen­ wechsel ist es weiter vorteilhaft, an der Hohlfaserstruktur mindestens einen, vorzugsweise jedoch eine Vielzahl von ela­ stischen Formkörpern zu befestigen. Alternativ oder zusätz­ lich können diese elastischen Formkörper jedoch auch in dem Material enthalten sein, das den Phasenwechsel durchläuft. Auf diese Weise wird erreicht, dass die durch den Phasen­ wechsel auftretende Volumenänderung nicht zu mechanischen Spannungen oder zu Beschädigungen des Wärmetauschers führt, sondern von diesen elastischen Formkörpern absorbiert wird. Als elastische Formkörper eignen sich beispielsweise elasti­ sche Kügelchen wie Styropor-Kügelchen, die in dem Gehäuse beziehungsweise dem Material oder Medium, das einen Phasen­ wechsel durchläuft, insbesondere stochastisch verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich können diese elastischen Formkör­ per jedoch auch beispielsweise durch Ankleben an der Hohlfa­ serstruktur befestigt sein.

Zeichnungen

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Wärmetauscher, Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiele

Die Wärmeeinkopplung beziehungsweise Auskopplung in bezie­ hungsweise aus einem Medium oder einem Material, das bei ei­ ner Wärmezufuhr oder einer Wärmeabfuhr einen Phasenwechsel durchläuft, erfolgt in den nachfolgend erläuterten Ausfüh­ rungsbeispielen mit Hilfe einer metallischen Hohlfaserstruk­ tur, in der ein erstes, gasförmiges oder flüssiges Medium strömt. Für den resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten ist dabei neben den Wärmeübergangskoeffizienten von dem er­ sten Medium auf die Hohlfaserstruktur und dem Wärmedurch­ gangskoeffizienten durch die Hohlfaserstruktur vor allem der Wärmetransport innerhalb des zweiten Mediums von entschei­ dender Bedeutung. Der Wärmedurchgangskoeffizient k in einem festen "phase change" Material wird dabei einerseits durch die Wärmeleitfähigkeit λ des "phase change" Materials und andererseits die Wärmediffusionslänge L bestimmt. Dabei er­ gibt sich

Da bekannte "phase change"-Materialien vielfach sowohl in der festen als auch in der flüssigen Phase eine relativ kleine Wärmeleitfähigkeit λ aufweisen, bedeutet dies für die Praxis, dass für eine hohe Leistungsdichte eines herzustel­ lenden Wärmetauschers der Abstand zwischen den Röhren, die das zweite Medium durchziehen, im Millimeter- beziehungswei­ se Submillimeter-Bereich liegen muss. Die nachfolgende Tabelle zeigt exemplarisch für einige "phase change"- Materialien wie Eis, eine wässrige Salzlösung oder Paraffin typische Werte für die Wärmeleitfähigkeit λ für einen inner­ halb des herzustellenden Wärmetauschers zu erreichenden Wär­ medurchgangskoeffizienten k, und die sich daraus ergebenden typischen mittleren Abstände zwischen den Röhren innerhalb einer Hohlfaserstruktur.

Die Fig. 1 erläutert ein erstes Ausführungsbeispiel für ei­ nen Wärmetauscher in Form eines Mikrostruktur-Wärmetauschers 5. Dazu ist vorgesehen, innerhalb eines Gehäuses 14, das beispielsweise die Form einer Platte hat, eine Hohlfaser­ struktur 10 anzuordnen, die aus einer Vielzahl von Röhren 15 besteht, die jeweils mit einer Sammelröhre 12 zur Zufuhr ei­ nes ersten Mediums 11 verbunden sind, und die andererseits jeweils mit einer Sammelröhre 12 zum Abfuhr des die Röhren 15 beziehungsweise die Sammelröhren 12 durchströmenden er­ sten Mediums 11 in Verbindung stehen. Das erste Medium 11 ist beispielsweise Wasser, ein Kühlmittel oder Öl. Daneben kommt prinzipiell auch ein Gas in Frage. Weiter ist gemäß Fig. 1 vorgesehen, dass das Gehäuse 14 mit einem zweiten Medium 13 gefüllt ist, das die Hohlfaserstruktur 10 umgibt. Dieses zweite Medium 13 ist ein "phase change"-Material wie beispielsweise Wasser, Eis, eine Salzlösung, eine Salz­ schmelze oder eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung wie beispielsweise ein Paraffin. Der mittlere Abstand zwischen den Röhren 15 in der Hohlfaserstruktur 10 liegt zwischen 100 µm und 5 mm. Die Anzahl und der mittlere Abstand der Röhren 15 ergibt sich dabei einerseits aus der Wärmeleitfähigkeit λ des eingesetzten zweiten Mediums sowie der Zielvorgabe für den Wärmedurchgangskoeffizienten k in dem Wärmetauscher 5. Weiter ist dabei auch die Wärmediffusionslänge L in dem zweiten Medium 13 zu berücksichtigen. Die Wandstärke der Röhren 15 der Hohlfaserstruktur 10 liegt zwischen 100 nm und 100 µm, wobei Wandstärken von 500 nm bis 5 µm bevorzugt sind.

Der Phasenwechsel in dem zweiten Medium 13 kann dabei ein Phasenwechsel von fest nach flüssig, von flüssig nach fest, von flüssig nach gasförmig, von gasförmig nach flüssig, von fest nach gasförmig oder von gasförmig nach fest sein. Be­ vorzugt ist ein Phasenwechsel von flüssig nach fest und um­ gekehrt, wie er beispielsweise im Fall von Wasser bezie­ hungsweise Eis in einem Kältespeicher auftritt. Die Wärmezu­ fuhr beziehungsweise Wärmeabfuhr aus beziehungsweise in das zweite Medium 13 erfolgt im Übrigen in an sich bekannter Weise durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Me­ dium 11 und dem zweiten Medium 13.

Hinsichtlich weiterer Details zu der konkreten Herstellung der insbesondere metallischen Hohlfaserstruktur 10 sei auf die Anmeldung DE 199 10 985.0 A1 verwiesen, wo derartige Hohl­ faserstrukturen im Einzelnen beschrieben werden, und wo auch das dazu eingesetzte Herstellungsverfahren erläutert ist. Insbesondere sei betont, dass die Hohlfaserstruktur 10 bei­ spielsweise in Form eines stufenförmigen Aufbaus realisiert sein kann, wobei parallel verlaufende Röhren 15 zu einer zweidimensionalen Struktur, vorzugsweise in sogenannter "Ti­ chelmanscher Verschaltung" verschaltet sind. Weiter ist es möglich, die Hohlfaserstruktur 10 auch in Form einer Spiral­ wendel-Struktur auszuführen, wobei beispielsweise eine zwei­ dimensionale Hohlfaserstruktur 10 gemäß Fig. 1 als Wendel- oder Spiralwendel aufgewickelt wird, so dass damit ein gro­ ßes Volumen ausgefüllt werden kann. Schließlich ist es eben­ so möglich, die Hohlfaserstruktur 10 in Form eines Rohrbün­ dels auszuführen, wobei die Sammelröhren 12 beispielsweise in Form von Rohrplatten ausgebildet sind.

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird an Hand der Fig. 2 er­ läutert, die sich von der Fig. 1 lediglich dadurch unter­ scheidet, dass die Hohlfaserstruktur 10 einen modifizierten Aufbau aufweist. Im Übrigen kann das Gehäuse 14 gemäß Fig. 2 auch eine von einer Platte abweichende Form aufweisen.

Im Einzelnen besteht die Hohlfaserstruktur 10 gemäß Fig. 2 aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Hohlfaser­ strukturen 10 gemäß Fig. 1, die untereinander durch Röhren und/oder Stäbchen zur Stabilisierung verbunden sind. Der Ab­ stand zwischen den einzelnen Röhrenebenen gemäß Fig. 2 be­ trägt typischerweise 0,5 bis 5 mm, der Abstand zwischen pa­ rallelen Röhren 15 innerhalb einer Röhrenebene, wobei eine Röhrenebene durch eine Struktur gemäß Fig. 1 gebildet wird, liegt typischerweise ebenfalls zwischen 0,5 bis 5 mm.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des ersten Ausführungs­ beispiels beziehungsweise des zweiten Ausführungsbeispiels ist weiter vorgesehen, dass in dem zweiten Medium 13 minde­ stens ein, vorzugsweise jedoch eine Vielzahl von elastischen Formkörpern enthalten sind. Diese elastischen Formkörper sind beispielsweise Styropor-Kügelchen mit typischen Durch­ messern von 0,5 bis 3 mm, die stochastisch innerhalb des zweiten Mediums 13 verteilt sind. Alternativ können diese elastischen Formkörper jedoch auch mit der Hohlfaserstruktur 10 verbunden sein. Dazu werden diese elastischen Formkörper beispielsweise an die Hohlfaserstruktur 10 stochastisch ver­ teilt angeklebt. Als Material für die elastischen Formkörper kommen neben Styropor auch Polyurethaschäume oder andere Po­ lymerschäume in Frage.

Die gemäß den Ausführungsbeispielen 1 oder 2 erläuterten Wärmetauscher eignen sich insbesondere zur Wärmespeicherung beziehungsweise Kältespeicherung in Kraftfahrzeugen, um da­ mit in der Startphase auftretende Lastspitzen zu glätten. Weiter eignen sich derartige Wärmetauscher auch als Latent­ wärmespeicher in der Haustechnik, wo sie insbesondere als Brauchwasserspeicher für Gasthermen kleiner Leistung oder als Heizungsspeicher Verwendung finden können. Zudem eignen sie sich als Kältespeicher zur Reduzierung von Spitzenlasten in der Klimatechnik.

Claims (10)

1. Wärmetauscher, insbesondere Mikrostruktur-Wärmetauscher, mit mindestens einer von einem ersten, gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmten, insbesondere metallischen Hohlfaserstruktur mit einer Vielzahl von durchströmbaren Röhren, sowie mit mindestens einem die Hohlfaserstruktur zumindest bereichs­ weise umgebenden zweiten Medium, das mit dem ersten Medium über die Hohlfaserstruktur wärmeleitend in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (13) ein Ma­ terial ist oder enthält, das bei einer Wärmezufuhr oder ei­ ner Wärmeabfuhr einen Phasenwechsel durchläuft.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaserstruktur (10) eine insbesondere regelmäßi­ ge Anordnung von Röhren (15) ist, die gasdurchgängig oder flüssigkeitsdurchgängig mit mindestens einer Sammelröhre (12) zur Zufuhr des ersten Mediums (11) und mindestens einer Sammelröhre (12) zur Abfuhr des ersten Mediums (11) in Ver­ bindung stehen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hohlfaserstruktur (10) in einem Gehäuse (14) befindet, das das zweite Medium (13) enthält.

4. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Röhren (15) der Hohlfaserstruktur (10) zwischen 100 nm und 100 µm, insbesondere 500 nm und 5 µm, liegt.

5. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) wär­ meleitend mit einem zu kühlenden oder zu heizenden Bauteil in Verbindung steht.

6. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel ein zumindest teilweiser Übergang des Aggregatzustandes des in dem zweiten Medium (13) enthaltenen Materials von fest nach flüssig, flüssig nach fest, flüssig nach gasförmig, gasför­ mig nach flüssig, fest nach gasförmig oder gasförmig nach fest ist.

7. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (13) Wasser, Eis, eine Salzlösung, eine Salzschmelze oder eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung wie Paraffin ist.

8. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (11) und das zweite Medium (13) eine Temperaturdifferenz aufwei­ sen.

9. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Medium (13) mindestens ein elastischer Formkörper, vorzugsweise ei­ ne Vielzahl von elastischen Formkörpern, enthalten ist.

10. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlfaser­ struktur (10) mindestens ein elastischer Formkörper, vor­ zugsweise eine Vielzahl von elastischen Formkörpern, befe­ stigt ist.