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Wärmeübertragung

ALUPOR™ ist ein innovatives Material auf Basis offenporigen Aluminiumgusses, das neue Möglichkeiten im Bereich des Wärmemanagements bietet. Die Kombination aus hoher spezifischer Oberfläche, kontrollierter Porenstruktur und guter Wärmeleitfähigkeit der Metallmatrix ermöglicht die Entwicklung kompakter, effizienter und anwendungsspezifisch optimierter Wärmeübertrager.

Funktionsprinzip

Die Wärmeübertragung erfolgt über einen Konduktions-Konvektions-Mechanismus: Wärme wird in die Aluminiumstruktur eingekoppelt und über die innere poröse Oberfläche per Kontaktleitung an das strömende Kühlmedium abgegeben – umgekehrt bei Wärmeeintrag aus dem Fluid.

Vorteil

  • Hohe spezifische Oberfläche: Signifikant mehr Austauschfläche pro Volumen als bei Rippen- oder Lamellenkühlkörpern
  • 100 % durchströmbar: Keine toten Zonen oder verdeckten Kanäle
  • Mechanisch belastbar: Bis zu 20-fache Druckfestigkeit gegenüber Aluminiumschaum
  • Fein einstellbare Porenstruktur: Auch gradientenförmig oder selektiv porös/massiv
  • Hohe Designfreiheit und Funktionsintegration
  • Gießtechnologie erlaubt komplexe Geometrien: Integration massiver Bereiche, Gewindestrukturen oder Einlegeteile möglich
  • Recyclingfähig wie herkömmliches Aluminium

Technologische Einschränkungen

  • Erhöhter Druckverlust bei Flüssigkeits- oder Gasströmung durch feine Poren
  • Verstopfungsgefahr bei kontaminierten Medien – Vorfiltration erforderlich
  • Bei inkompressiblen Flüssigkeiten ist Kavitation in Poren möglich
  • Korrosionsrisiko bei aggressiven Medien durch vergrößerte Reaktionsfläche
  • · Erschwerte Reparatur bei strukturellen Beschädigungen
  • Wärmeleitfähigkeit im Bauteil reduziert sich durch Porosität (typisch 20–25 % der Metallmatrix)

Materialkennwerte

Parameter

Porendurchmesser (charakteristisch), μm
140-315 200-400 315-630 630-1000 1000-1600 1600-3000

Darcy-Permeabilität, m²

 4,5×10-12 5.8×10-12 8.9×10-12 10.8×10-11 17.7×10-11 26.0×10-11

Forchheimer-Permeabilität, m

 3.3×10-5 3.5×10-5 3.6×10-5 3.8×10-5 4.2×10-5 19.0×10-5

Spezifische Oberfläche, m²/m³

 12500 9700 6300 3750 2400 1400
Porosität, % 50...75

Dichte (je nach Porosität), kg/m³

 675...1215

Wärmeleitfähigkeit (Matrix), W/(m×K)

 30 (Legierung A356)
50 (reines Aluminium)

Wärmekapazität (Matrix), J/(kg×K)

 380-420

Elektrische Leitfähigkeit, Sm/m

 4.8×106 - 7.2×106

Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient, 1/°C

 23.0×10-6

Temperaturbeständigkeit, °C

 -200...+200

Technische Möglichkeiten

  • Maximale Bauteilabmessungen: bis zu 850 × 650 × 150 mm
  • Minimale Wandstärken:
    • 3 mm bei Bauteilgrößen bis 300 mm
    • 5 mm bei Größen bis 500 mm
    • 8 mm bei Bauteilen über 500 mm
  • Maximales Bauteilgewicht: bis zu 150 kg
  • Fertigungsverfahren: Vakuumguss unter Verwendung von Natriumchlorid (NaCl) als Ausspülmedium (Details siehe weiter unten)
  • Gewindeschneiden: möglich sowohl in massivem als auch porösem Bereich
  • Massiv-Porös-Kombinationen: die Integration massiver Zonen (z. B. zur thermischen Kontaktoptimierung) in poröse Strukturen ist eine besondere Stärke des Verfahrens – sie verhindert zusätzliche thermische Übergangswiderstände

Teile mit massiven Metallbereichen sind ein wesentlicher Vorteil unserer Technologie, da wir den thermischen Widerstand an der Schnittstelle zwischen massiven und porösen Bereichen eliminieren. Mögliche Optionen zur Herstellung von Teilen mit massiven Metallbereichen werden unten vorgestellt.

Bauteile mit integrierten Einlegeteilen: Unsere Technologie ermöglicht das Einbetten von Rohren, Platten und Profilen aus Aluminium, Kupfer und Edelstahl während des Gießens. Dadurch erhalten wir ein komplexes Produkt in einem einzigen Teil.

Designbeispiele

Standardmäßige Designverbeßerun

Phasenwechselkühle

Konturwärmetauscher mit Phasenwechsel und natürlicher Kühlmittelzirkulation aus ALUPOR™

Kontur-Phasenwechselkühlkörper mit Docht-Kühlmittelzufuhr aus ALUPOR™ mit feinen Pore

Kapillarhebeexperiment

Elektrische Heizungen

Durchlauf-Lufterhitzer. Wärmeverteilung von Heizelementen durch ALUPOR

Kontur-Phasenwechselkühlkörper mit Docht-Kühlmittelzufuhr aus ALUPOR™ mit feinen Poren

Durchlauf-Lufterhitzer. Widerstandsheizelement ist ALUPOR™ selbst

Referenzliste

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