DE2919188A1 - Verfahren zur herstellung einer oberflaeche einer metallischen wand fuer die uebertragung von waerme - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer oberflaeche einer metallischen wand fuer die uebertragung von waerme

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Description

9. Mai 1979
78-B-O2
EZDP/Heu/Bü.
Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co. KG Mauserstr. 3, D 7000 Stuttgart
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER OBERFLÄCHE EINER METALLISCHEN WAND FÜR DIE ÜBERTRAGUNG VON WÄRME
030046/0547
2913188
Blatt JIr . 9. Mai 1979
78-B-O2 EZDP/Heu/Bü.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche einer metallischen Wand für die Übertragung von Wärme bei der Verdampfung bzw. Kondensation von flüssigen bzw. dampfförmigen Medien, vorzugsweise in Wärmerohren. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf Wärmerohre, die nach dem erwähnten Verfahren hergestellt sind.
Es ist bekannt, die Oberfläche von metallischen Wänden zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften aufzurauhen. So ist beispielsweise in der DE-OS 25 46 444 vorgeschlagen worden, eine Wärmeübergangswand für siedende Flüssigkeiten mechanisch derart aufzurauhen, dass eine Vielzahl von sogenannten Verdampfungskernen bzw. -Keimen entsteht, an denen sich bei Erreichen der Siedetemperatur Dampfblasen bilden, womit letztlich die Wärmeübertragung einer solchen Wand verbessert wird. Ein derartiges mechanisches Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und teuer und ist insbesondere bei unzugänglichen Wänden, z.B. bei Rohren, mit kleinem Durchmesser nicht mehr anwendbar. Es ist ferner durch die DE-PS 636 071 bekannt, die Oberfläche von Rohren zu Wärmeaustauschzwecken zur Erzielung einer grösseren, für die Wärmeübertragung wirksamen Oberfläche zu ätzen. Diese Massnahme geht von der Erkenntnis aus, dass der konvektive Wärmeübergang proportional der wirksamen Oberfläche ist und zielt daher auf eine durch intensives und lang andauerndes Ätzen stark und tief zerklüftete Oberfläche ab.
Blatt 5
030046/0547
2319188
Blatt tr . 9. Mai 1979
78-B-O2 EZDP/Heu/Bü.
Die hierdurch erzielte bzw. beabsichtigte Oberflächenvergrösserung trägt jedoch nicht den Besonderheiten des Wärmeüberganges bei Phasenänderung, d.h. bei Verdampfung bzw. Kondensation, Rechnung. Hier kommt es auf die Bildung von sogenannten Verdampfungs- bzw. Kondensationskernen bzw. -Keimen an, die keine Oberflächenvergrösserung darstellen, da sie infolge ihrer geringen Abmessungen gar nicht von dem Medium benetzt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Oberflächen für die Übertragung von Wärme bei Phasenänderung des Mediums, d.h. bei Verdampfung bzw. Kondensation, zu schaffen, das die Wärmeübertragungseigenschaften der Oberfläche, insbesondere bei Wärmerohren mit kleinem Rohrinnendurchmesser, verbessert.
Die Lösung dieser Aufgabe ist den kennzeichnenden Merkmalen der vorangestellten Ansprüche 1 bis 6 zu entnehmen .
Indem man die zu behandelnden Oberflächen einem Ätzbad aussetzt, erzielt man auf ausserordentlich wirtschaftliche Weise eine Rauhigkeit der Oberfläche, die die WärmeÜbertragungseigenschaften der Wand bereits erheblich verbessert. Durch das chemische Ätzen wird in einer willkürlichen Anordnung eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen unterschiedlichster Form geschaffen, die den Verdampfungs- bzw. Kondensationsvorgang erheblich fördert.
Blatt 6 0300A6/05A7
Blatt >- 9. Mai 1979
78-B-O2 EZDP/Heu/Bü.
-4-
Die Erhebungen und Vertiefungen, die sich unter einer mikroskopischen Vergrösserung quasi als eine Gebirgslandschaft darstellen, bilden die an sich bekannten Verdampfungs- bzw. Kondensationskerne bzw. -Keime. Messungen mit derartig durch chemisches Ätzen aufgerauhten Oberflächen, insbesondere Oberflächen von Wärmerohren, haben gezeigt, dass die Wärmeübertragung im Vergleich zu mechanisch aufgerauhten Oberflächen erheblich verbessert wurde. Die für diese Verbesserung notwendxge Rauhigkeit der Oberfläche, die im Bereich
_3
von wenigen μ (mm.10 ) liegt, wird bereits nach kurzer Verweilzeit der zu behandelnden metallischen Oberfläche in einem Ätzbad erreicht. Daraus ergibt sich insbesondere die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens gegenüber teilweise umständlichen und aufwendigen mechanischen Aufrauhungsverfahren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist auch darin zu sehen, dass mit der Ätzung der Rohre zum Zwecke der Aufrauhung gleichzeitig eine Entfettung der Oberfläche des Halbzeugmaterials vorgenommen wird. Auch dies unterstreicht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Der besondere Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt jedoch auf dem Anwendungsgebiet für Wärmerohre, insbesondere für Wärmerohre mit kleinem Rohrinnendurchmesser, weil hier mechanische Verfahren grundsätzlich versagen. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es dagegen möglich, auch kleinste Rohrinnendurchmesser aufzurauhen und damit die Leistungsfähigkeit solcher Wärmerohre erheblich und auf wirtschaftliche Weise zu erhöhen.
Blatt 7
030046/0547
2319188
Blatt ?- 9. Mai 1979
78-B-O2 EZDP/Heu/Bü.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Wärmerohr betrifft, ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert:
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Wärmerohr Figur 2 einen Querschnitt durch ein Wärmerohr Figur 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus dem
Querschnitt des Wärmerohres und
Figur 4 eine photographische Vergrösserung eines Ausschnittes der erfindungsgemäss behandelten Oberfläche.
Figur 1
zeigt einen Längsschnitt durch das allseitig geschlossene Wärmerohr 1, das mit einem flüssigen verdampfbaren und wieder kondensierbaren Medium 4 teilweise gefüllt ist. Dem Wärmerohr 1 wird an seinem linken unteren, d.h. seinem warmen Ende Wärme zugeführt, wobei das Medium 4 verdampft. Der Dampf strömt im Inneren des Wärmerohres 1 infolge seines geringeren spezifischen Gewichtes nach oben zum kälteren Ende des Wärmerohres, wo diesem Wärme entzogen wird, so dass der Dampf an der gekühlten inneren Wandung 2 kondensiert und infolge des Schwerkrafteinflusses an der geneigten Innenseite des Wärmerohres wieder zum linken unteren, d.h. zum warmen Ende des Wärmerohres zurückströmt. Dort wiederholt sich der Vorgang danns aufs Neue. In dieser Figur ist eine Einzelheit mit X bezeichnet.
Blatt 8 030046/0547
Blatt (Γ 9. Mai 1979
78-B-O2 EZDP/Heu/Bü.
die einen Ausschnitt aus der erfindungsgemässen Oberfläche 3 bezeichnet.
Figur 2
zeigt einen Querschnitt durch das Wärmerohr 1 in der Schnittebene A-B. Danach besitzt das Wärmerohr 1 einen kreisringförmigen Querschnitt mit einer inneren hohlzylindrischen, metallischen Wandung 2, an der das Medium 4 zur Verdampfung oder Kondensation gebracht wird. Die gesamte innere Wandung 2 besitzt eine durch chemisches Ätzen aufgerauhte Oberfläche 3, die als Einzelheit Y vergrössert in Figur 3 dargestellt ist. Diese
Figur 3
zeigt stark vergrössert das eigentliche Profil der Oberfläche 3, die durch chemisches Ätzen erzielt wird. Danach ist das Profil der erfindungsgemässen Oberfläche 3 nach aussen durch das sogenannte Hüllprofil H und nach innen durch das sogenannte Grundprofil G begrenzt „ welche als gestrichelte bzw. strichpunktierte Linien eingezeichnet sind. Zwischen diesen beiden Profillinien H und G befinden sich Erhebungen 5 und Vertiefungen S, die in unregelmässiger Form und Anordnung über die gesarate Oberfläche 3 verteilt sind. Die maximale Tiefe der Vertiefungen 6 ist der Abstand zwischen beiden Profillinien H und G und ist mit der Eauntiefe R bezeichnet. Diese Rauhtiefe liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa ein bis zehn \i (mm. 10 ~'| . Aus dieser äusserst geringen Eauhtiefe geht hervor, dass die Oberfläche nur eine geringe Zeit asr Silurs bzr:Jo ätzsnösn Flüssigkeit ausgesetzt zu v/erden braucht., um die erfindungsgemässe Oberfläche zu erzielen»
Blatt 9
2913188
Blatt .»- . 9. Mai 1979
78-B-O2 EZDP/Heu/Bü.
Insofern kann gesagt werden, dass das Hüllprofil H dem ursprünglichen Profil der inneren Wandung, nämlich im mechanisch glatt bearbeiteten Zustand entspricht die Oberfläche 3 ist also gerade so weit und so lange angeätzt, dass die Spitzen der Erhebungen 5 in der Fläche des Ausgangsprofiles liegen bleiben, d.h. das Hüllprofil der erfindungsgemäss angeätzten Oberfläche und das Hüllprofil der ursprünglichen mechanisch glatten Oberfläche sind etwa identisch. Es findet also durch das chemische Anätzen keine Abtragung der Oberfläche statt und auch keine Oberflächenvergrösserung im wärmetechnischen Sinne, dass etwa eine grössere für den Wärmeaustausch verfügbar stehende Fläche geschaffen wird - die durch das chemische Anätzen entstehenden Vertiefungen 6 sind in ihrer Breite derart gering, dass sie von dem Medium überhaupt nicht benetzt werden können und somit keine zusätzliche Wärmeaustauschfläche bilden.
Figur 4
zeigt schliesslich eine Einzelheit X aus Figur 1, nämlich einen photographischen und stark vergrösserten Ausschnitt aus der erfindungsgemässen Oberfläche 3. Aus dieser Vergrösserung ist zu ersehen, dass sich die Oberfläche als eine Struktur von ungeordneten Erhebungen und Vertiefungen darstellt, die einer Gebirgslandschaft ähneln. Eine derartige erfindungsgemässe Oberflächenstruktur, insbesondere für Wärmerohre, ist nur durch chemisches Ätzen, d.h. die Behandlung einer mechanisch glatt bearbeiteten, metallischen Oberfläche mit einer Säure oder Lauge erzielbar.
030046/0547

Claims (6)

Blatt j/ ' 9. Mai 1979 78-B-O2 EZDP/Heu/Bü. Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche einer metallischen Wand für die übertragung von Wärme bei der Verdampfung bzw. Kondensation von flüssigen bzw. dampfförmigen Medien, vorzugsweise in Wärmerohren, dadurch gekennzeichnet , dass die zunächst mechanisch glatt bearbeitete Oberfläche der metallischen Wand zur Erzielung von Verdampfungs- bzw. Kondensatioriskeimen durch chemisches Ätzen aufgerauht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die mechanisch glatt bearbeitete Oberfläche unter Beibehaltung ihrer für die Wärmeübertragung wirksamen Fläche chemisch derart angeätzt wird, dass winzige Vertiefungen und Erhebungen im Bereich einer Rauhtiefe von wenigen μ (mm.IO ) entstehen, wobei die Spitzen der Erhebungen im wesentlichen in der Ebene bzw. Fläche der ursprünglichen mechanisch glatten Oberfläche liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Ätzen mittels einer chemischen Ätzlösung erfolgt, die in chemische Reaktion mit der mechanisch glatt bearbeiteten Oberfläche der metallischen Wand tritt.
Blatt 3 0300A6/0547
Blatt 4 9. Mai 1979
-£- 78-Β-Ο2
EZDP/Heu/Bü.
4. Wärmerohr mit einem die Wärme transportierenden und übertragenden/verdampfbaren bzw. kondensierbaren Medium und einer für die Wärmeübertragung wirksamen inneren metallischen Wandung, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, dass die Wandung (2) eine durch chemisches Ätzen aufgerauhte Oberfläche (3) aufweist.
5. Wärmerohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass die durch chemisches Ätzen aufgerauhte Oberfläche (3) eine Vielzahl von Erhebungen (5) und Vertiefungen (6) aufweist.
6. Wärmerohr nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Rauhtiefe R der durch chemisches Ätzen aufgerauhten Oberfläche (3) im Bereich von ein bis zehn μ (mm.io" ) liegt.
Blatt 4
0300A6/0547
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