Neuartige Wärmeübertrager auf Basis von Metall/CNT-Verbundwerkstoffen

Teilvorhaben: Entwicklung, Optimierung und Charakterisierung von Metall/CNT-Verbundwerkstoffen

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FuE-Projektförderung der Sächsischen Aufbaubank im Rahmen des Förderprogramms Infra-Pro

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In der Praxis besteht die Aufgabe beim Heizen oder Kühlen darin, flächenbezogene Wärmeströme zu maximieren oder durch Werkstoffeigenschaften vorgegebene Grenztemperaturen einzuhalten. Sehr häufig stehen dabei die Freiheitsgrade Temperaturdifferenz und Wärmeübertragerfläche nicht bzw. nur eingeschränkt zur Verfügung, sodass der Wärmetransport ausschließlich durch eine Optimierung der Transportkoeffizienten (Wärmeleitung, Wärmeübergang und Strahlung) beeinflusst werden kann. Die Entwicklung von Wärmeübertragerstrukturen zur gezielten Optimierung dieser Transportkoeffizienten ist das Hauptanliegen des Projektes HeatCNT. Die Projektpartner Fraunhofer IFAM Dresden und IFW Dresden haben einen innovativen Verbundwerkstoff, bestehend aus Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nano Tubes – CNT) in einer Kupfermatrix, entwickelt. Durch einen gezielten Ätzschritt der Kupfermatrix werden die eingebrachten CNT teilweise an der Oberfläche freigelegt und dadurch die Wärmeübertragungseigenschaften deutlich verbessert.

Für den Einsatz in der Wärmetechnik kombiniert dieser Ansatz in außergewöhnlicher Weise die sehr guten Wärmeleiteigenschaften des Kupfer/CNT-Verbundwerkstoffes mit optimalen Strahlungs- und konvektiven Wärmeübergangseigenschaften an umgebende Fluide bzw. Oberflächen. Damit wird sichergestellt, dass minimale thermische Übergangswiderstände für den Wärmetransport auftreten und so die Entwicklung innovativer Hochleistungs-Wärmeübertrager für spezielle Einsatzbedingungen möglich ist.

Im Rahmen des Projektes werden einerseits werkstofftechnische Eigenschaften, wie z.B. Abmessungen und Ausrichtung der CNT, deren Volumengehalt im Verbundwerkstoff und mögliche Dotierungen, untersucht und gezielt weiter entwickelt. Andererseits werden die wärmetechnischen Eigenschaften betrachtet und die Auswirkungen der CNT auf die verschiedenen Wärmetransportmechanismen (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung und Verdampfung) untersucht und bewertet. Zum Abschluss des Projektes ist ein Funktionsmuster geplant, anhand dessen das Potential des Werkstoffsystems nachgewiesen wird.

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