DE102013216323A1

DE102013216323A1 - Verfahren zum gasdichten Verschließen von keramischen Wärmeohren

Info

Publication number: DE102013216323A1
Application number: DE102013216323.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Meisel; Wolfgang Lippmann; Teja Reetz; Antonio Hurtado
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-17
Also published as: DE102013216323A8; DE102013216323B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein Verfahren zum gasdichten Verschließen von keramischen Wärmerohren (ceramic heat pipes), die für die Wärmeübertragung eingesetzt werden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem mindestens teilweise befüllte keramische Wärmerohre, deren Verschlussbereich mindestens teilweise aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid besteht, dauerhaft und sicher gasdicht verschlossen werden können. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem in Wärmerohre aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid als Arbeitsmedium Alkalimetall oder nicht-alkalischem Metall eingebracht wird, und der Behälter und der Deckels mit einem festen bis pastösen Lot mittels Energieeintrag verschlossen wird, wobei unterschiedliche Lote entsprechend den Wärmerohrmaterialien und den Arbeitsmedien eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein Verfahren zum gasdichten Verschließen von keramischen Wärmerohren (ceramic heat pipes), die für die Wärmeübertragung eingesetzt werden können.
Bereits seit längerem sind Wärmerohre als Wärmeüberträger unter Nutzung der Verdampfungswärme eines Stoffes bekannt. Ein Wärmerohr (Heatpipe) ist ein Wärmeübertrager, der unter Ausnutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes die Übertragung hoher Wärmestromdichten ermöglicht. Wärmerohre enthalten grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen, meist in Form eines Rohres, das mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist, das das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren in dampfförmigem Zustand ausfüllt (Wikipedia, Stichwort Wärmerohr). Im isothermen Zustand des Wärmerohres befindet sich das Arbeitsmedium (Wärmetransportmedium) im thermodynamischen Gleichgewicht und durchläuft aufgrund einer äußeren Temperaturdifferenz zwischen den Wärmerohrenden einen Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf, wodurch latente Wärme axial übertragen und von dem das Wärmerohr umgebenden Medium abgegeben bzw. aufgenommen wird.
Die bekannten Wärmerohre aus metallischen Materialien weisen im Vergleich zu Wärmerohren aus keramischen Materialien eine niedrigere Temperaturfestigkeit sowie eine höhere Materialdegradation in abrasiven und chemisch korrosiven Atmosphären auf, wodurch ihre Standzeit deutlich beschränkt ist. Daher wurden die Entwicklung und Herstellung von keramischen Wärmerohren bereits in den Jahren 1970 bis 1980 durch das Los Alamos National Laboraty (LANL) durchgeführt. Die Fertigungsstrategie sah vor, keramische Wärmerohre mit Wolfram-Innenbeschichtungen zu verwenden, und diese mit metallischen Deckeln oder ebenfalls mit Wolfram beschichteten keramischen Deckeln zu verschließen. Um die Wärmerohre gasdicht zu verschließen mussten die Deckel mit einer entsprechenden gasdichten Verbindung auf dem Wärmerohr befestigt werden. Dazu wurden Fügeverfahren eingesetzt, wie das Löten oder das Elektronenstrahlschweißen. Das diese Technologien für keramische Materialien nicht möglich waren, wurden die Fügeflächen aus metallischen und artgleichen Materialien im Hinblick auf das zu verwendende Lot gefertigt. Damit konnte dann eine gasdichte Lötverbindung hergestellt werden. Bekannte Lote waren eutektische Palladium-Kobalt-Legierungen mit einer Zusammensetzung aus 65 Ma.-% Pd und 35 Ma.-% Co (E.S. Keddy, et. al.: Ceramic Heat Pipes for High Temperature Heat Recovery, Chemical Engineering Communications,1980, 4:1–3, 381–392).
Diese Lösungen hatten jedoch den Nachteil, dass die Fügeflächen und oft auch die Rohrinnenflächen metallisiert werden mussten. Ebenso zeigte sich im Wärmerohrbetrieb, dass es dabei zu einer Reaktion des W aus der Metallisierung mit dem Wärmerohrmaterial SiC unter Bildung von Wolframdisilicid kam, was einerseits die Ablösung dieser Phase aufgrund der Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der damit verbundenen Fehlstellenbildung der Metallisierung zur Folge hatte, und andererseits das sonst chemisch sehr beständige Wolfram mit Luftsauerstoff bei Temperaturen ab ca. 400 °C unter Bildung von Wolfram(IV)-oxid oxidiert, was eine Degradation der Haftgrundlage des Lotes und damit der gesamten Verbindung bei Betrieb in oxidischer Atmosphäre erzeugt. Schweiß- und Lötverfahren zum Fügen von Keramik und insbesondere Hochleistungskeramiken werden von Hesse, A. u. a., Keramische Zeitschrift 3 (1994), S. 147–150; Boretius, M. u. a., VDI-Berichte, Band 670, S. 699–713, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1988 vorgestellt. Bei diesen stoffschlüssigen Fügeverfahren zeichnet sich das Löten gegenüber dem (Diffusions-)schweissen durch einen geringeren technologischen Aufwand sowie höhere Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit aus.
Beim Aktivlöten mit metallischen Loten werden relativ feste Verbunde erzeugt. Beim Löten keramischer Bauteile mit PVD-metallisierter oder laserbehandelter Fügefläche werden vor allem günstige Benetzungs- und Fließeigenschaften des Lotes erreicht (Wielage, B. u. a., VDI-Berichte, Band 883, S. 117–136, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991). Bei diesem Verfahren wird die Keramik metallisiert und anschließend in einem Ofen mit dem Lot in Kontakt gebracht. Dabei wird die Temperatur bis oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes erhöht. Im schmelzflüssigen Zustand benetzen die Lote die metallisierte Keramikoberfläche und bilden nach Abkühlung einen festen Verbund.
Für das Fügen von keramischen Werkstoffen sind verschiedene Lotsysteme auf Glas- und Metallbasis bekannt (Boretius, M. u. a., VDI-Verlag, Düsseldorf, 1995). Bei diesem Verfahren wird das Werkstück in einen Ofen eingebracht und unter Druck bis oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes aufgeheizt. Der Druck ist erforderlich, um einen ausreichenden Verdichtungsgrad in der Fügenaht und eine Gasdichtheit zu erreichen. Das Verfahren im Ofen findet dabei unter einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum statt. Das Lot bildet nach Erreichen seiner Schmelztemperatur eine flüssige Phase, die die zu fügenden Flächen benetzt und mit sinkender Temperatur zu einem festen Keramikverbund führt. Diese Lote werden vor allem dann verwendet, wenn hohe Anforderungen in Bezug auf Korrosions- und Hochtemperaturfestigkeit, jedoch geringere Anforderungen hinsichtlich der Übertragung mechanischer Kräfte gestellt sind.
Ein Vorteil der Glas-Keramiklote besteht darin, dass sie gasdicht sind. Die kristallinen Glas-/Keramiklote gehen nach dem Erstarren in einen keramischen, polykristallinen Zustand über. Die Löttemperatur entspricht meist der Gebrauchstemperatur. Der besondere Vorteil von Glas-/Keramikloten besteht darin, dass sie eine Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten und der Temperaturstabilität der Fügestelle ermöglichen.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Werkstücke hinsichtlich ihrer Größe an den jeweiligen Ofen anzupassen sind, dass im Inneren eines Keramikbehälters befindliche Stoffe, der durch Fügen verschlossen werden soll, durch die relativ lange und hohe Temperaturbelastung ebenfalls stark belastet werden. Niedrigschmelzende Stoffe sind nicht mit diesen Technologien in derartige Keramikbehälter verschließbar.
Weiterhin bekannt sind Verfahren zum Fügen von Keramiken mit Loten zu nichthochtemperaturbeständigen Keramikverbunden mittels Laser, wobei nur kleine Bauteile gefügt werden und ebenfalls ein Vakuum oder ein Schutzgas erforderlich sind.
Ebenfalls bekannt ist nach der DE 103 27 708 A1 ein Verfahren zur Herstellung von gasdichten und hochtemperaturbeständigen Verbindungen von Formteilen aus nichtoxidischer Keramik mittels Laser. Gemäß diesem Verfahren werden die zu fügenden Flächen von Formteilen mit einem Lot aus 80–30 Ma.-% Yttriumoxid und/oder 55–15 Ma.-% Zirkonoxid, 5–70 Ma.-% Aluminiumoxid, 0–50 Ma.-% Siliciumdioxid und 0–10 Ma.-% Silicium versehen, und anschließend wird mittels eines Lasers ohne Vorhandensein einer Schutzgasatmosphäre oder eines Vakuums die Temperatur an der Fügestelle über die Schmelztemperatur des Lotes erhöht. Dabei wird eine zur Realisierung der Verbindung hinreichende Benetzbarkeit der zu fügenden Oberflächen durch das geschmolzene Lot mittels aus der Keramik und/oder aus dem Lot stammenden und/oder sich bildendem und/oder zusätzlich aufgebrachten Siliciumdioxids an den zu fügenden Oberflächen realisiert.
Weiterhin ist nach der DE 197 17 235 B4 ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohres zum Transport von Wärme von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich bekannt. Danach weist das Gehäuse eine darin angeordnete Kapillarstruktur auf, die im Verdampfungs- und im Kondensationsbereich mit den entsprechenden Gehäusewänden thermisch gekoppelt ist. Außerdem befinden sich im Gehäuse ein Dampfkanal, der vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich führt, sowie ein Wärmetransportmedium. Die offenporige Kapillarstruktur ist aus Pulverpartikeln hergestellt, die oberflächlich durch Hochfrequenz-Plasmaspritzen angeschmolzen sind und im erstarrten Zustand eine die Pulverpartikel verbindende Schmelzschicht bilden.
Auch bekannt ist aus der DE 10 2007 018 262 A1 ein Verfahren zum Verschließen von keramischen Kapillaren an Behältern, bei dem Öffnungen in Behältern mit einer keramischen Kapillare versehen werden und diese Kapillare im Inneren einen volumenvergrößerten Raum als Reservoir aufweist, der mit Lotmaterial im nicht geschmolzenen Zustand gefüllt wird und danach das Lotmaterial mit einem Laser über die Schmelztemperatur erwärmt und abgekühlt wird.
Ebenfalls ist nach der DE 20 2006 019 275 U1 ein Wärmerohr bekannt, bei dem ein dichtes Außenrohr und ein poröses Innenrohr an den Enden geschlossen sind und Innen- und Außenrippen aus keramischen Materialien aufweisen. Weiterhin sind zur Verdampfung geeignete Stoffe im Inneren in einem Vakuum vorhanden. Ein solches Wärmerohr befindet sich auf der eine Seite in einem heißen Medium und auf der anderen Seite in einem kalten Medium.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem mindestens teilweise befüllte keramische Wärmerohre, deren Verschlussbereich mindestens teilweise aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid besteht, dauerhaft und sicher gasdicht verschlossen werden können.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum gasdichten Verschließen von keramischen Wärmerohren werden Wärmerohre eingesetzt, die aus einem Behälter und einem Deckel bestehen und bei denen der Behälter und der Deckel jeweils einen Verschlussbereich aufweist, und mindestens Flächen des Verschlussbereiches mindestens teilweise und mindestens über einen gesamten Umfang der Fläche der Verschlussbereiche aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid bestehen, der Behälter nachfolgend teilweise mit einem Arbeitsmedium aus Alkalimetall oder nicht-alkalischem Metall befüllt wird, danach mindestens die Fläche des Verschlussbereiches mindestens über einen gesamten Umfang der Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels mit einem festen bis pastösen Lot bedeckt wird,

– wobei im Fall, dass mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Siliciumcarbid besteht und als Arbeitsmedium ein Alkalimetall eingesetzt wird, ein Lotmaterial mit 50–80 Ma.-% Ni und 20–50 Ma.-% Ti und 0–30 Ma.-% Si eingesetzt wird, oder
– wobei im Fall, dass mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Aluminiumnitrid besteht und als Arbeitsmedium ein Alkalimetall eingesetzt wird, ein Lotmaterial aus 100 Ma.-% Ni eingesetzt wird und weiterhin Ti oder Ti-Verbindungen, die mit dem Aluminiumnitrid reagieren, oder
– wobei im Fall, dass mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Siliciumcarbid besteht und als Arbeitsmedium ein nicht-alkalisches Metall eingesetzt wird, ein Lotmaterial mit 80–30 Ma.-% Y₂O₃ und/oder 20–70 Ma.-% ZrO₂ und 20–70 Ma.-% Al₂O₃ und 1–35 Ma.-% SiO₂ eingesetzt wird, oder
– wobei im Fall, das mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Aluminiumnitrid besteht und als Arbeitsmedium ein nicht-alkalisches Metall eingesetzt wird, ein Lotmaterial mit 80–30 Ma.-% Y₂O₃ und/oder 20–70 Ma.-% ZrO₂ und 20–70 Ma.-% Al₂O₃ und 1–35 Ma.-% SiO₂ eingesetzt wird, und in allen Fällen mindestens nachfolgend ein Wechsel der Atmosphäre mindestens um den Verschlussbereich in eine Inertgasatmosphäre oder in ein Vakuum realisiert wird, und anschließend mittels eines Energieeintrages in den oder unmittelbar um den Verschlussbereich mindestens das Lotmaterial aufgeschmolzen und nachfolgend abgekühlt wird, Vorteilhafterweise wird als Alkalimetall-Arbeitsmedium Na, K oder Li eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhafterweise wird als nicht-alkalisches Metall-Arbeitsmedium Zink eingesetzt.
Weiterhin vorteilhaferweise werden Wärmerohre aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid eingesetzt.
Und auch vorteilhafterweise wird als Behälter- und Deckelmaterial drucklos gesintertes Siliciumcarbid mit 0,1–0,5 Ma.-% Bor und 0,5–1,5 Ma.-% Kohlenstoff als Sinterhilfsmittel eingesetzt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn als Behälter- und Deckelmaterial Aluminiumnitrid mit 1–5 Ma.-% Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel eingesetzt wird.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn der Innenraum des Behälters und die Behälteröffnung mit dem Verschlussbereich in eine Kammer eingebracht werden, die vor Aufbringung des Lotmaterials und vor Füllung des Behälters mit Alkalimetall eine Inertgasatmosphäre oder ein Vakuum enthält.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Lotmaterialien in einer organischen Matrix dispergiert sind.
Vorteilhaft ist es auch, wenn als Ti-Verbindung TiH, vorteilhafterweise in einer organischen Matrix dispergiert, eingesetzt wird, wobei noch vorteilhafterweise als organische Matrix 80–85 Ma.-% Butylacetat, 8–10 Ma.-% Cyclohexanol, 3–7 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,5–1 Ma.-% Kolophonium eingesetzt wird, insbesondere als organische Matrix 83,6 Ma.-% Butylacetat, 9,2 Ma.-% Cyclohexanol, 6,4 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,8 Ma.-% Kolophonium.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn der Energieeintrag mittels Laser realisiert wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn bei einem Wärmerohr aus Siliziumcarbid ein Energieeintrag mittels Laser in einem Bereich 1000 W–2500 W erfolgt.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem Wärmerohr aus Aluminiumnitrid ein Energieeintrag mittels Laser in einem Bereich 1000 W–2500 W erfolgt.
Mit der erfinderischen Lösung wird die Aufgabe gelöst und erstmals ein Verfahren bereitgestellt, mit dem mindestens teilweise befüllte keramische Wärmerohre deren Verschlussbereich mindestens teilweise aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid besteht, dauerhaft und sicher gasdicht verschlossen werden können.
Erreicht wird dies, indem keramische Wärmerohre eingesetzt werden, die mindestens aus einem Behälter und einem Deckel bestehen. Der Querschnitt der Wärmerohre ist dabei vorteilhafterweise rund bis elliptisch, kann aber auch quadratisch, rechteckig, dreieckig bis mehreckig sein.
Der Behälter und der Deckel weisen jeweils einen Verschlussbereich auf, der bei einem Wärmerohr mit einem runden Querschnitt kreisringförmig ausgebildet ist. Diese beispielsweise kreisringförmigen Flächen von Behälter und Deckel müssen mindestens teilweise, mindestens aber über einen gesamten Umfang der Fläche der Verschlussbereiche aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid bestehen. Vorteilhafterweise besteht die gesamte Fläche des Verschlussbereiches und noch vorteilhafterweise der gesamte Behälter und der gesamte Deckel aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid oder auch vorteilhafterweise besteht das gesamte Wärmerohr aus Behälter und Deckel aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid.
Im Falle einer kreisringförmigen Fläche des Verschlussbereiches mit einem äußeren Durchmesser von X und einem inneren Durchmesser von Y, kann die Fläche, die mit Lotmaterial bedeckt wird, auf einer Fläche zwischen dem äußeren Durchmesser X und dem inneren Durchmesser Y positioniert sein.
Der Behälter eines solchen Wärmrohres wird nachfolgend, mit einem alkalischen oder nicht-alkalischen Arbeitsmedium, welches vorteilhafterweise Natrium oder Zink sind, teilweise befüllt. Diese Arbeitsmedien sind besonders vorteilhaft einzusetzen in Temperaturbereichen von 800 °C bis 1200 °C.
Bei Einsatz von Siliciumcarbid als Behälter- und Deckelmaterial und von Natrium als Arbeitsmedium wird vorteilhafterweise die Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels mit einem festen bis pastösen Lot, mindestens bestehend aus 50–80 Ma.-% Ni und 20–50 Ma.-% Ti und 0–30 Ma.-% Si, bedeckt. Bei Einsatz von Siliciumcarbid als Behälter- und Deckelmaterial und von Zink als Arbeitsmedium wird vorteilhafterweise die Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels mit einem festen bis pastösen Lot der Zusammensetzung 80–30 Ma.-% Y₂O₃ und/ oder 20–70 Ma.-% ZrO₂ und 20–70 Ma.-% Al₂O₃ und 1–35 Ma.-% SiO₂ bedeckt.
Bei Einsatz von Aluminiumnitrid als Behälter- und Deckelmaterial und von Natrium als Arbeitsmedium wird vorteilhafterweise die Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels zuerst mit Ti oder Ti-Verbindungen, die mit Aluminiumnitrid reagieren, bedeckt und nachfolgend als Lotmaterial Ni auf die Fläche aufgebracht, die mit Ti oder Ti-Verbindungen bedeckt ist.
Vorteilhafterweise sind das Ti oder die Ti-Verbindungen in einer organischen Matrix dispergiert. Eine solche organische Matrix kann vorteilhafterweise ein organisches Lösungsmittel, wie 80–85 Ma.-% Butylacetat, 8–10 Ma.-% Cyclohexanol, 3–7 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,5–1 Ma.-% Kolophonium sein. Als Ti-Verbindungen wird vorteilhafterweise in einer organischen Matrix dispergiertes TiH aufgebracht. Anschließend wird als Lotmaterial 100 Ma.-% Ni auf die Fläche des Verschlussbereiches angeordnet.
Bei Einsatz von Aluminiumnitrid als Behälter- und Deckelmaterial und von Zink als Arbeitsmedium wird die Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels mit einem festen bis pastösen Lot der Zusammensetzung 80–30 Ma.-% Y₂O₃ und/ oder 20–70 Ma.-% ZrO₂ und 20–70 Ma.-% Al₂O₃ und 1–35 Ma.-% SiO₂ bedeckt.
Zu beachten ist, dass die Fläche, die mit Lot bedeckt wird, mindestens teilweise und mindestens einen gesamten Umfang der Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels betrifft.
In allen Fällen wird mindestens nachfolgend ein Wechsel der Atmosphäre mindestens um den Verschlussbereich in eine Inertgasatmosphäre oder in ein Vakuum realisiert, und anschließend mittels eines Energieeintrages in den oder unmittelbar um den Verschlussbereich das Lotmaterial aufgeschmolzen und nachfolgend abgekühlt.
Dadurch liegt dann ein Wärmerohr vor, welches dauerhaft und sicher gasdicht verschlossen ist.
Die Verschlussbereiche des Behälters und des Deckels sind die Bereiche, die den Behälter durch eine Lotnaht gasdicht verschließen.
Als Behälter- und Deckelmaterial wird vorteilhafterweise drucklos gesintertes Siliciumcarbid eingesetzt.
Das Lotmaterial wird vor dem Aufbringen durch Mischen der Komponenten des Lotmaterials hergestellt und erfindungsgemäß anschließend im festen bis pastösen Zustand auf die Fläche des Verschlussbereiches aufgebracht. Im pastösen Zustand ist das Lotmaterial in einer organischen Matrix dispergiert.
Soll ein Behälter und ein Deckel verschlossen werden, die ganz oder teilweise aus Aluminiumnitrid bestehen, und wird als Arbeitsmedium ein Alkalimetall eingesetzt, so wird beispielsweise auf die Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder Deckels zuerst in einer organischen Matrix, bestehend aus 80–85 Ma.-% Butylacetat, 8–10 Ma.-% Cyclohexanol, 3–7 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,5–1 Ma.-% Kolophonium dispergiertes TiH und anschließend als Lotmaterial Ni auf beiden Fügeflächen aufgebracht.
Vor dem Einbringen in die Kammer wird das Lotmaterial auf die Fügefläche des Verschlussbereiches aufgebracht. Anschließend wird das Arbeitsmedium, vorteilhafterweise Natrium oder Zink, bei geschlossener Kammer unter Schutzgasatmosphäre in das Rohr eingebracht und das Rohr damit teilweise gefüllt. Mindestens nach dem Einfüllen des Arbeitsmediums muss ein Wechsel der Atmosphäre realisiert werden.
Dementsprechend wird der Behälterinnenraum spätestens dann entweder mit einem Inertgas gefüllt oder evakuiert und der Deckel auf die Behälteröffnung aufgesetzt. Nachfolgend wird bei dieser Atmosphäre oder dem Vakuum ein Energieeintrag auf den Verschlussbereich mit dem Lotmaterial realisiert, wobei der Energieeintrag mindestens zum Aufschmelzen des Lotes führen und danach der Energieeintrag beendet und die Verbindungsstelle abgekühlt werden muss. Von besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Energieeintrag durch Laser zum Verschließen des Behälters mit dem Deckel. Dies hat den Vorteil, dass kurze Prozesszeiten verbunden mit einer räumlichen Zugänglichkeit realisiert werden.
Nachdem das Lotmaterial und gegebenenfalls auch das Material des Behälters oder des Deckels im Verschlussbereich wieder vollständig in die feste Phase übergegangen ist, kann wiederum der Atmosphärenwechsel realisiert oder das Vakuum beendet und der verschlossene Behälter den Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden. Die Verbindungsstelle ist gasdicht und dauerhaft.
Voraussetzung für eine Langzeitbeständigkeit keramischer Werkstoffe ist die Resistenz der verwendeten Werkstoffe gegenüber den angrenzenden Arbeitsmedien und der umgebenden Atmosphäre. Wärmerohre, die in einem Arbeitsbereich von 800°C bis 1200 °C eingesetzt werden, werden bekanntermaßen mit Alkalimetallen als Arbeitsmedium, insbesondere Natrium, befüllt. Natrium stellt gerade an die Nahtqualität der Fügeverbindung sowie an die Resistenz der verwendeten Lotmaterialien hohe Anforderungen. Die erfindungsgemäß verwendeten keramischen Materialien des Behälters und Deckels sind dahingehend besonders vorteilhaft einsetzbar, da Korrosionsvorgänge durch den Sauerstoffgehalt der Umgebungsatmosphäre wesentlich vermindert und weitere reagierende Oxidverbindungen abgebunden werden können.
Es konnte überraschend herausgefunden werden, dass eine hervorragende Beständigkeit des keramischen Wärmerohres unter Einsatz von Natrium als Arbeitsmedium und bei einer Temperatur von 800°C für eine Dauer für 720 h bei der erfindungsgemäßen Wärmerohrmaterial-/Lotmaterial-Kombination erzielt wird.
Während des Energieeintrages auf die Fügestelle eines mit Alkalimetall teilweise gefüllten keramischen Wärmerohres aus Siliciumcarbid in das Lot, welches mindestens Ni und Ti enthält, reagieren die Nickelbestandteile des Lotes mit dem Silizium aus dem keramischen Wärmerohrmaterial SiC unter Entstehung von freiem Kohlenstoff zu Nickelsilicid. Der freiwerdende Kohlenstoff muss gebunden werden, was durch das im Lotmaterial vorhandenen Titan erfolgt, welches mit dem Kohlenstoff zu Titancarbid reagiert. Diese beiden nebeneinander stattfindenden Reaktionen laufen jedoch mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten ab. Um der schnelleren Reaktion des Nickels mit dem Siliciumcarbid eine ausreichende Menge an einem Reaktionspartner zur Verfügung zu stellen, kann erfindungsgemäß dem Lot Silizium zugesetzt werden.
Beim Einsatz eines mit einem Alkalimetall teilweise gefüllten keramischen Wärmerohres aus Aluminiumnitrid wurde festgestellt, dass nur eine geringe bis gar keine Benetzung der Oberfläche des Verschlussbereiches des keramischen Wärmerohres mit dem Lotmaterial Ni stattfindet. Um mindestens eine ausreichende Benetzung des Ni mit dem AlN zu erreichen, wird erfindungsgemäß Ti oder Ti-Verbindungen, die mit dem Aluminiumnitrid reagieren, eingesetzt. Vorteilhafterweise sind das Ti oder die Ti-Verbindungen in einer organischen Matrix dispergiert. Eine solche organische Matrix ist beispielsweise ein organisches Lösungsmittel aus 80–85 Ma.-% Butylacetat, 8–10 Ma.-% Cyclohexanol, 3–7 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,5–1 Ma.-% Kolophonium. Vorteilhafterweise wird als Ti-Verbindung TiH eingesetzt. Das Ti oder die Ti-Verbindungen in einer organischen Matrix werden auf die Fügeflächen aufgetragen. Bei dem Energieeintrag findet bei 600 °C eine chemische Reaktion mit dem AlN zu einer keramischen Schicht aus TiN statt, die fest mit dem Aluminiumnitrid verbunden ist. Das darauf befindliche Ni als Lot, welches beispielsweise als Scheibe aus Ni auf die Fügefläche aufgebracht worden ist, benetzt diese keramische Schicht sehr gut und wird dann ebenfalls durch den Energieeintrag aufgeschmolzen und bildet die Lotnaht.
Während des Energieeintrages erfolgt der Verschluss des keramischen Wärmerohres durch das Ni als Lot, welches als weiteren Vorteil zu einer hohen Duktilität der Lotnaht führt.
Im Falle, dass die verwendeten Lotmaterialien bei Verarbeitungstemperatur eine hohe Reaktivität mit Sauerstoff aufweisen, muss zur Vermeidung chemischer Reaktionen der Energieeintrag unter Vakuum oder mindestens unter Ausschluss von Luftsauerstoff erfolgen.
Vorteilhaft ist es, dass das Verschließen des Behälters mit dem Deckel in Verbindung mit dem Lot unter Vakuum oder unter Ausschluss von Luftsauerstoff erfolgt. Die Vorteile bestehen darin, dass eine vollständige Evakuierung des Behälters realisiert wird und ein sicheres Einfüllen des Alkalimetalls in den Behälter erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass der Energieeintrag zum Löten des Behälters mit dem Deckel in Verbindung mit dem Lot durch Laser realisiert wird. Dadurch können kurze Prozesszeiten bei zeitlich geregeltem Temperaturverlauf in der Fügezone sowie eine gute räumliche Zugänglichkeit realisiert werden, wodurch eine gute bis sehr gute Nahtqualität erzielt wird. Wesentlich ist ebenso die dadurch gegebene Möglichkeit der lokalen Erwärmung der Fügezone, wodurch eingefülltes Arbeitsmedium während des Verschließens in ausreichender Entfernung zur Fügezone mindestens bei Raumtemperatur verbleibt. Dadurch kann ein Schmelzen und/oder Verdampfen des Arbeitsmediums vermieden werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft erreicht, dass sowohl das Rohrmaterial als auch das Lotmaterial die gewünschten Eigenschaften des keramischen Wärmerohres erreichen und eine hohe Resistenz gegenüber dem im Inneren des keramischen Wärmerohres befindlichen Na aufweisen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Verfahren zum gasdichten Verschluss von keramischen Wärmerohren angegeben, welches Materialien einsetzt, die den die Korrosion bewirkenden Sauerstoffgehalt wesentlich vermindern und zu nicht weiter reagierenden Oxidverbindungen abbindet.
Die erfindungsgemäß hergestellten Wärmerohre erreichen lange Standzeiten und erfordern im Wesentlichen keine Wartung.
Nachfolgend wird die Erfindung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Ein Wärmerohr aus Siliziumcarbid mit den Abmessungen Länge 1000 mm, Durchmesser außen 25 mm mit einer Wandstärke von 5 mm, welches an einem Ende geschlossen ist, wird mit dem anderen offenen Ende in eine Halterung in einer Stahlkammer befestigt. Durch die Halterung werden das Wärmerohr und die Kammer gasdicht nach außen abgeschlossen. In die Kammer wird ein Deckel in Form eines einseitig geschlossenen Rohrstückes für das Wärmerohr aus Siliziumcarbid mit den Abmessungen Länge 20 mm, Durchmesser außen 25 mm mit einer Wandstärke von 5 mm eingebracht und weiterhin ein gasdicht abgeschlossenes Gefäß mit 15 g Natrium. Eine Lotpaste aus 64,4 Ma-% Nickel, 26,2 Ma.-% Titan und 9,4 Ma.-% Silizium wird auf die kreisringförmige Fügeflächen des Rohres und des Deckels mit einer Masse von 0,025 g aufgebracht, so dass die Lotpaste die kreisringförmige Oberfläche vollständig bedeckt.
Die Kammer wird nachfolgend mit Argon geflutet und das Natrium mittels eines Manipulatorhandschuh in das Wärmerohr gefüllt. Danach wird die Kammer mit Rohr evakuiert und bei Erreichen des gewünschten Enddruckes von 0,01 Pa der Deckel aufgesetzt. Der Energieeintrag von 2000 W wird innerhalb von 350 s durch einen Diodenlaser realisiert, der das Lot auf 1500 °C erwärmt, wobei das Lot schmelzflüssig wird. Nach Abschalten des Lasers kühlt der Verbindungsbereich ab und in die Kammer wird Luft eingelassen. Danach kann das mit dem Deckel verschlossene Rohr aus der Kammer entfernt werden. Die Verbindung ist gasdicht und dauerhaft.
Beispiel 2
Ein Wärmerohr aus Aluminiumnitrid mit den Abmessungen Länge 1000 mm, Durchmesser außen 25 mm mit einer Wandstärke von 5 mm, welches an einem Ende geschlossen ist, wird mit dem anderen offenen Ende in eine Halterung in einer Stahlkammer befestigt. Durch die Halterung werden das Wärmerohr und die Kammer gasdicht nach außen abgeschlossen. In die Kammer wird ein Deckel in Form eines einseitig geschlossenen Rohrstückes für das Wärmerohr aus Aluminiumnitrid mit den Abmessungen Länge 700 mm, Durchmesser außen 25 mm mit einer Wandstärke von 5 mm eingebracht, weiterhin ein gasdicht abgeschlossenes Gefäß mit 15 g Natrium. Zur Herstellung einer keramischen Schicht auf der Oberfläche der Flächen des Verschlussbereiches wird TiH, das in einem organischem Lösungsmittel bestehend aus 83,6 Ma.-% Butylacetat, 9,2 Ma.-% Cyclohexanol, 6,4 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,8 Ma.-% Kolophonium, dispergiert ist, auf die Fügefläche des Behälters und des Deckels vollflächig aufgebracht und anschließend eine kreisförmige Lotscheibe aus 100 Ma.-% Ni mit einem äußeren Durchmesser von 25mm und einem inneren Durchmesser von 20mm sowie einer Dicke von 0.05 mm auf der Fügefläche des Behälters aufgebracht. Die Lotscheibe bedeckt nun vollständig die Fügefläche des Behälters.
Die Kammer wird nachfolgend mit Argon geflutet und das Natrium über einen Manipulatorhandschuh in das Wärmerohr gefüllt. Anschließend wird die Kammer mit Rohr evakuiert und bei Erreichen des gewünschten Enddruckes von 0,01 Pa der Deckel aufgesetzt. Der Energieeintrag von 2000 W wird innerhalb von 350 s durch einen Diodenlaser realisiert, der das Lot auf 1500 °C erwärmt, wobei das Lot schmelzflüssig wird. Nach Abschalten des Lasers kühlt der Verbindungsbereich ab und in die Kammer wird Luft eingelassen. Danach kann das mit dem Deckel verschlossene Rohr aus der Kammer entfernt werden. Die Verbindung ist gasdicht und dauerhaft.
Beispiel 3
Ein Wärmerohr aus Siliziumcarbid mit den Abmessungen Länge 1000 mm, Durchmesser außen 25 mm mit einer Wandstärke von 5 mm, welches an einem Ende geschlossen ist, wird mit dem anderen offenen Ende in eine Halterung in einer Stahlkammer befestigt. Durch die Halterung werden das Wärmerohr und die Kammer gasdicht nach außen abgeschlossen. In die Kammer wird ein Deckel in Form eines einseitig geschlossenen Rohrstückes für das Wärmerohr aus Siliziumcarbid mit den Abmessungen Länge 20 mm, Durchmesser außen 25 mm mit einer Wandstärke von 5 mm eingebracht, weiterhin ein gasdicht abgeschlossenes Argon gefülltes Gefäß mit 30 g Zink. Eine Lotpaste aus 38 Ma.-% Y₂O₃ und 27 Ma.-% Al₂O₃ und 35 Ma.-% SiO₂ wird beidseitig auf die kreisförmige Fügefläche des keramischen Rohres und des Deckels aufgebracht.
Die Kammer wird nachfolgend mit Argon geflutet und das Zink über einen Manipulatorhandschuh in das Wärmerohr gefüllt. Anschließend wird die Kammer mit Rohr evakuiert und bei Erreichen des gewünschten Enddruckes von 0,01 Pa der Deckel aufgesetzt. Der Energieeintrag von 2000 W wird innerhalb von 350 s durch einen Diodenlaser realisiert, der das Lot auf 1500 °C erwärmt, wobei das Lot schmelzflüssig wird. Nach Abschalten des Lasers kühlt der Verbindungsbereich ab und in die Kammer wird Luft eingelassen. Danach kann das mit dem Deckel verschlossene Rohr aus der Kammer entfernt werden. Die Verbindung ist gasdicht und dauerhaft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10327708 A1 [0010]
DE 19717235 B4 [0011]
DE 102007018262 A1 [0012]
DE 202006019275 U1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

E.S. Keddy, et. al.: Ceramic Heat Pipes for High Temperature Heat Recovery, Chemical Engineering Communications,1980, 4:1–3, 381–392 [0003]
Hesse, A. u. a., Keramische Zeitschrift 3 (1994), S. 147–150 [0004]
Boretius, M. u. a., VDI-Berichte, Band 670, S. 699–713, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1988 [0004]
Wielage, B. u. a., VDI-Berichte, Band 883, S. 117–136, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1991 [0005]
Boretius, M. u. a., VDI-Verlag, Düsseldorf, 1995 [0006]

Claims

Verfahren zum gasdichten Verschließen von keramischen Wärmerohren, bei dem Wärmerohre eingesetzt werden, die aus einem Behälter und einem Deckel bestehen und bei denen der Behälter und der Deckel jeweils einen Verschlussbereich aufweist, und mindestens Flächen des Verschlussbereiches mindestens teilweise und mindestens über einen gesamten Umfang der Fläche der Verschlussbereiche aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid bestehen, der Behälter nachfolgend teilweise mit einem Arbeitsmedium aus Alkalimetall oder nicht-alkalischem Metall befüllt wird, danach mindestens die Fläche des Verschlussbereiches mindestens über einen gesamten Umfang der Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels mit einem festen bis pastösen Lot bedeckt wird, – wobei im Fall, dass mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Siliciumcarbid besteht und als Arbeitsmedium ein Alkalimetall eingesetzt wird, ein Lotmaterial mit 50–80 Ma.-% Ni und 20–50 Ma.-% Ti und 0–30 Ma.-% Si eingesetzt wird, oder – wobei im Fall, dass mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Aluminiumnitrid besteht und als Arbeitsmedium ein Alkalimetall eingesetzt wird, ein Lotmaterial aus 100 Ma.-% Ni eingesetzt wird und weiterhin Ti oder Ti-Verbindungen, die mit dem Aluminiumnitrid reagieren, oder – wobei im Fall, dass mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Siliciumcarbid besteht und als Arbeitsmedium ein nicht-alkalisches Metall eingesetzt wird, ein Lotmaterial mit 80–30 Ma.-% Y₂O₃ und/oder 20–70 Ma.-% ZrO₂ und 20–70 Ma.-% Al₂O₃ und 1–35 Ma.-% SiO₂ eingesetzt wird, oder – wobei im Fall, das mindestens der Verschlussbereich des Behälters und/oder des Deckels aus Aluminiumnitrid besteht und als Arbeitsmedium ein nicht-alkalisches Metall eingesetzt wird, ein Lotmaterial mit 80–30 Ma.-% Y₂O₃ und/oder 20–70 Ma.-% ZrO₂ und 20–70 Ma.-% Al₂O₃ und 1–35 Ma.-% SiO₂ eingesetzt wird, und in allen Fällen mindestens nachfolgend ein Wechsel der Atmosphäre mindestens um den Verschlussbereich in eine Inertgasatmosphäre oder in ein Vakuum realisiert wird, und anschließend mittels eines Energieeintrages in den oder unmittelbar um den Verschlussbereich mindestens das Lotmaterial aufgeschmolzen und nachfolgend abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Arbeitsmedium Alkalimetall Na, K oder Li eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Arbeitsmedium nicht-alkalisches Metall Zink eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Wärmerohre aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Behälter- und Deckelmaterial drucklos gesintertes Siliciumcarbid mit 0,1–0,5 Ma.-% Bor und 0,5–1,5 Ma.-% Kohlenstoff als Sinterhilfsmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Behälter- und Deckelmaterial Aluminiumnitrid mit 1–5 Ma.-% Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Innenraum des Behälters und die Behälteröffnung mit dem Verschlussbereich in eine Kammer eingebracht werden, die vor Aufbringung des Lotmaterials und vor Füllung des Behälters mit Alkalimetall eine Inertgasatmosphäre oder ein Vakuum enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lotmaterialien in einer organischen Matrix dispergiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ti-Verbindung TiH, vorteilhafterweise in einer organischen Matrix dispergiert, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als organische Matrix 80–85 Ma.-% Butylacetat, 8–10 Ma.-% Cyclohexanol, 3–7 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,5–1 Ma.-% Kolophonium eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als organische Matrix 83,6 Ma.-% Butylacetat, 9,2 Ma.-% Cyclohexanol, 6,4 Ma.-% Kollodiumwolle und 0,8 Ma.-% Kolophonium eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Energieeintrag mittels Laser realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einem Wärmerohr aus Siliziumcarbid ein Energieeintrag mittels Laser in einem Bereich 1000 W–2500 W erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einem Wärmerohr aus Aluminiumnitrid ein Energieeintrag mittels Laser in einem Bereich 1000 W–2500 W erfolgt.