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Wärmerohr
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Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und der Werkstofftechnik und betrifft ein Wärmerohr, das mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Wärmerohre können beispielsweise in der Biomassenvergasung, regenerative Energieanwendungen zur Rekuperation von Hochtemperaturabwärme industrieller Prozesse oder in der Raumfahrt Anwendung finden.
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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. 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 oder aufgenommen wird.
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Die bekannten Wärmerohre aus metallischen Materialien weisen 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, um diese Nachteile zu verbessern. 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.
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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. Da 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 Lotverbindung hergestellt werden. Das verwendete Lot war eine eutektische Palladium-Kobalt-Legierung mit einer Zusammensetzung von 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).
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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.
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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.
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Für das Fügen von keramischen Werkstoffen sind verschiedene Lotsysteme auf Glas- und Metallbasis bekannt. 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.
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Der Auswahl des im Inneren des Wärmerohres befindlichen Arbeitsmediums kommt im Hinblick auf die übertragbare Leistung sowie des möglichen Temperaturniveaus, in welchem das Wärmerohr den stationären Betrieb aufnimmt, eine besondere Bedeutung zu.
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Wärmerohre werden in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt. Bei Temperaturen von 600 bis 1600 °C sind als Arbeitsmedien die elementaren Alkalimetalle Kalium, Natrium und Lithium, sowie Silber bekannt. Für Anwendungen bei Temperaturen zwischen 800 und 1200 °C wird überwiegend Natrium als Arbeitsmedium eingesetzt.
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Aufgrund des reaktiven Charakters der Alkalimetalle sind bei deren Handhabung entsprechend hohe Sicherheitsanforderungen zu beachten. Zudem werden unerwünschte Oxide in das Wärmerohr eingetragen, wodurch sich der technologische Aufwand des Herstellungsprozesses von Wärmerohren unter Verwendung dieser Arbeitsmedien erhöht.
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Als Materialien für Wärmerohre im Temperaturbereich 600 °C - 1400 °C sind unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen metallische Werkstoffe, beispielweise temperaturfeste Stähle wie Nickelbasislegierungen bis 1200 °C oder Refraktärmetalle wie Molybdän und Wolfram für höhere Temperaturen bekannt. Von großem Nachteil ist bei diesen Refraktärmetallen, dass sie nur eine sehr beschränkte Oxidationsbeständigkeit aufweisen, wodurch ihr Einsatz, insbesondere gerade von Wolfram und Molybdän, auf sauerstofffreie Atmosphären (extraterrestrische Anwendungen) beschränkt ist.
Als keramische Werkstoffe für Wärmerohre finden insbesondere SSiC und AIN Verwendung (Pause, J.; u.a.: Neue Anwendungsgebiete für Wärmrohre, Hufenbach, W.A.[Hrsg.], Tagungsband Internationales Kolloquium der Spitzentechnologiecluster ECEMP, TU Dresden 2010, S. 215-225).
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Neben den Materialien für die Wärmerohre und die Arbeitsmedien ist auch die Auswahl des Lotmaterials für das hermetische, gasdichte Verschließen der Wärmerohre von Bedeutung. Diese Lotmaterialien müssen an die jeweiligen Umgebungs- und Arbeitsbedingungen des Wärmerohres sowohl in Richtung des Innenraumes des Wärmerohres, als auch in Richtung der unmittelbaren äußeren Umgebung des Wärmerohres angepasst und dementsprechend ausgewählt werden.
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Bekannt aus
DE 10 2008 055 947 A1 ist ein Wärmerohr zum Einsatz in wasserstoffreichen Hochtemperaturumgebungen mit einer Rohrhülle aus Metall, insbesondere aus einer chromhaltigen Legierung, in deren Rohrhülleninnerem ein Wärmeträgermedium eingeschlossen ist. Dabei ist die Rohrhülle am Wärme abgebenden Ende mit einer eine Oxidschichtausbildung auf der Rohrhülle unterbindenden oder zumindest vermindernden und eine Wasserstoffdiffusion zulassenden Beschichtung versehen.
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Weiterhin bekannt aus
DE 20 2006 019 275 U1 ist ein Wärmerohr umfassend ein dichtes Außen- und ein poröses Innenrohr an den Enden durch glatte oder gewölbte Kappen geschlossen und mit diesem verbundene eine Mehrzahl von Innen- und/oder Außenrippen, wobei das Außenrohr und die Rippen des Außenrohres aus Siliciumcarbid- oder kohlenstofffaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik und oder anderen keramischen Werkstoffen besteht und das Innenrohr aus poröser Siliciumcarbid-Keramik, anderen porösen Keramiken oder porösem Kohlenstoff besteht, und das in dem unter Vakuum stehenden geschlossenen Rohr sich eine Füllung aus Silber, Lithium, Natrium, Quecksilber, Cäsium, Kalium oder anderer der Anwendungstemperatur angepassten und zur Verdampfung geeigneter Stoff befindet, und das die eine Seite des Wärmerohres in einen Kanal oder ein Rohr mit einemheißen Medium und die andere Seite in einen Kanal oder ein Rohr mit einem kalten Medium hineinragt, wobei die beiden Kanäle oder Rohre einschließlich der beiden Wärmerohrenden durch Dichtungselemente voneinander getrennt sind.
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Bekannt sind auch keramische Wärmerohre für den Einsatz im Hochtemperaturbereich, bei denen eine Ausführung der keramischen Wärmerohre aus Siliciumcarbid vorgeschlagen wird. Als Füllung des Wärmerohres werden für den Einsatz im Hochtemperaturbereich als Arbeitsmedium beispielsweise Kalium, Natrium, Lithium oder Silber aufgeführt (Pause, J.; u.a.: Neue Anwendungsgebiete für Wärmrohre, Hufenbach, W.A.[Hrsg.], Tagungsband Internationales Kolloquium der Spitzentechnologiecluster ECEMP, TU Dresden 2010, S. 215-225).
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Nachteilig bei den bekannten Lösungen des Standes der Technik ist, dass Wärmerohre nur eine geringe Standzeit aufweisen. Auch nachteilig ist, dass die Herstellung und Befüllung der Wärmerohre hohe Kosten verursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr mit einem darin befindlichen Arbeitsmedium anzugeben, dass eine hohe Standzeit aufweist und zudem einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Wärmerohr, bei dem ein Behälter mit einem Deckel aus einem keramischen Material durch ein Glaslot gasdicht verschlossen und der Behälter mindestens teilweise mit einem Arbeitsmedium befüllt ist, besteht das Wärmerohr mindestens im Bereich des Kontaktes mit dem Arbeitsmedium aus einem Material, welches ausschließlich aus einem oder mehreren nichtmetallischen Materialien zusammengesetzt ist, und als Arbeitsmedium ein Material vorhanden ist, welches mit den Materialien des Wärmerohres im Wesentlichen keine Reaktion eingeht und kein Alkalimetall ist.
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Vorteilhafterweise ist das Material des Behälters und des Deckels ein keramisches Material und das Lotmaterial ein Glas, wobei noch vorteilhafterweise das keramische Material AlN und/oder SiC oder SSiC ist, und das Lotmaterial aus 80-30 Ma.-% Y2O3 und/oder 20-70 Ma.-% ZrO2 und 20-70 Ma.-% Al2O3 und 1-35 Ma.-% SiO2 besteht.
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Weiterhin vorteilhafterweise ist das Arbeitsmedium Zink.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohres aus Behälter und Deckel wird der Behälter teilweise mit Arbeitsmedium gefüllt, danach die Fläche des Verschlussbereichs von Behälter und/oder Deckel mindestens teilweise mindestens aber über den gesamten Umfang der Fläche des Verschlussbereiches mit einem festen bis pastösen Lot vollständig bedeckt, und 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.
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Mit der erfinderischen Lösung wird erstmals ein Wärmerohr mit einem darin befindlichen Arbeitsmedium bereitgestellt, das eine hohe Standzeit aufweist und einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Erreicht wird dies durch ein Wärmerohr, bei dem ein Behälter mit einem Deckel gasdicht verschlossen und der Behälter mindestens teilweise mit einem Arbeitsmedium befüllt ist. Der gasdichte Verschluss des Behälters mit dem Deckel wird dabei üblicherweise durch Fügen mittels eines Lotes realisiert.
Vorteilhafterweise bestehen Behälter und Deckel mindestens im Verschlussbereich aus keramischen Materialien. In diesem Fall muss ein Lot einerseits das keramische Material mindestens benetzen und eine sichere gasdichte Lotverbindung zwischen dem Behälter und dem Deckel realisieren und andererseits sowohl gegenüber dem Arbeitsmedium als auch gegenüber den Umgebungsbedingungen um das Wärmerohr nichtreaktiv oder resistent sein. Für keramische Wärmerohre sind dies im Allgemeinen Lote auf der Basis von Glas oder Metall.
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Erfindungsgemäß können aber sowohl bei den Behälter- und Deckelmaterialien als auch bei den Lotmaterialien nur solche Materialien zum Einsatz kommen, die mindestens im Bereich des Kontaktes mit dem Arbeitsmedium aus einem oder mehreren nichtmetallischen Materialien bestehen. Diese sind als Behälter- und Deckelmaterialien vorteilhafterweise keramische Werkstoffe, wie AIN oder SiC oder SSiC (drucklosgesintertes SiC), und als Lotmaterialien Glaslote, beispielsweise bestehend aus 80-30 Ma.-% Y2O3 und/oder 20-70 Ma.-% ZrO2 und 20-70 Ma.-% Al2O3 und 1-35 Ma.-% SiO2.
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Als Arbeitsmedium, das erfindungsgemäß mit den Materialien des Wärmerohres im Wesentlichen keine Reaktion eingeht und kein Alkalimetall ist, wird vorteilhafterweise Zink eingesetzt.
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Voraussetzung für eine Langzeitbeständigkeit keramischer Werkstoffe ist die Resistenz der verwendeten Werkstoffe gegenüber den angrenzenden Arbeitsmedien und den Umgebungsbedingungen um das Wärmerohr.
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Wärmerohre, die in einem Arbeitsbereich von 800°C bis 1200 °C eingesetzt werden, werden nach dem Stand der Technik mit Alkalimetallen, insbesondere Natrium, als Arbeitsmedium befüllt. Natrium stellt einerseits sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit während der Herstellung des Wärmerohres, da es zur Reaktion mit dem Luftsauerstoff oder mit Feuchtigkeit neigt. Der Einsatz von Natrium als Arbeitsmedium stellt aber auch an Behälter- und Deckelmaterialien sowie an die Lotmaterialien sehr hohe Anforderungen aufgrund seiner hohen Reaktivität.
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Aus diesen Gründen sind erfindungsgemäß Alkalimetalle als Arbeitsmedien für die erfindungsgemäßen Wärmerohre ausgeschlossen.
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Ebenfalls sind Wärmerohre ausgeschlossen, die im Kontaktbereich mit dem Arbeitsmedium mindestens eine metallische Komponente aufweisen.
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Da die erfindungsgemäßen Materialien, die als Arbeitsmedien eingesetzt werden, mit den Materialien des Wärmerohres im Wesentlichen keine Reaktion eingehen dürfen und kein Alkalimetalle sein dürfen, wird eine chemische Wechselwirkung von Wärmerohrmaterialien und Arbeitsmedien vermieden.
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Beispielsweise reagiert Zink als Arbeitsmedium mit metallischen Wärmerohrmaterialien unter Bildung einer Legierung. Diese entstehenden Verbindungen weisen geringere Schmelztemperaturen als die Grundwerkstoffe auf und führen damit zur Zerstörung des metallischen Wärmerohres.
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Daher muss für die erfindungsgemäße Lösung mindestens der Bereich des Wärmerohres, welche in Kontakt mit dem Arbeitsmedium kommt, aus einem oder mehreren nichtmetallischen Materialien bestehen. Dies betrifft sowohl das Material des Behälters und des Deckels als auch das Lotmaterial, welches das Wärmerohr gasdicht verschließt.
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Erfindungsgemäß konnte herausgefunden werden, dass Zink vorteilhafte physikalische Eigenschaften hinsichtlich der Verwendung als Arbeitsmedium in einem keramischen Wärmerohr aufweist. Siedetemperatur, Verdampfungswärme, Wärmeleitfähigkeit und Dampfdruck sind vergleichbar mit denen von Natrium, weshalb ein ähnlicher Temperaturbereich für den Arbeitsbereich eines zinkgefüllten Wärmerohres, wie eines natriumgefüllten Wärmerohres abgedeckt werden kann. Darüber hinaus bietet insbesondere Zink den weiteren Vorteil, dass es eine wesentlich verminderte Reaktionsfreudigkeit bei Raumtemperatur sowie bei Überschreitung der Schmelztemperatur aufweist, woraus eine Erhöhung der Sicherheit beim Umgang mit dem Arbeitsmedium resultiert.
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Die erfindungsgemäßen Wärmerohrmaterialien, wie AIN, Siliciumcarbid, insbesondere drucklosgesintertes Siliciumcarbid, zeichnen sich dadurch aus, dass sie resistent gegenüber einer chemischen Wechselwirkung mit Zink gerade auch in höheren Temperaturbereichen sind. Vorteilhafterweise kann dadurch eine wesentlich höhere Standzeit des Wärmerohres erreicht werden.
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Die allgemein geringe chemische Reaktivität von Zink gegenüber keramischen Werkstoffen bietet zudem den Vorteil, dass eine größere Auswahl an einsetzbaren keramischen Materialien und auch Lotmaterialen zur Verfügung steht.
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Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Wärmerohre aus Behälter und Deckel, indem der Behälter teilweise mit Arbeitsmedium gefüllt wird, danach die Fläche des Verschlussbereichs von Behälter und/oder Deckel mindestens teilweise mindestens aber über den gesamten Umfang der Fläche des Verschlussbereiches mit einem festen bis pastösen Lot vollständig bedeckt wird, und 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 das Lotmaterial aufgeschmolzen und nachfolgend abgekühlt wird.
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Als Behälter- und Deckelmaterial können drucklos gesintertes Siliciumcarbid mit 0,1-0,5 Ma.-% Bor und 0,5 - 1,5 Ma.-% Kohlenstoff als Sinterhilfsmittel, oder Aluminiumnitrid mit 1 - 5 Ma.-% Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel eingesetzt werden.
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Weiterhin wird vorteilhafterweise der Innenraum des Behälters und die Behälteröffnung mit dem Verschlussbereich in eine Kammer eingebracht, die vor Aufbringung des Lotmaterials und vor Füllung des Behälters mit dem Arbeitsmedium eine Inertgasatmosphäre oder ein Vakuum enthält.
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Vorteilhafterweise wird eine vollständige Bedeckung der Fläche des Verschlussbereiches des Behälters und/oder des Deckels mit Lotmaterial realisiert. Als Lotmaterial kann bei einem Wärmerohr aus Siliziumcarbid ein Material bestehend aus 80-30 Ma.-% Y2O3 und/oder 20-70 Ma.-% ZrO2 und 20-70 Ma.-% Al2O3 und 1-35 Ma.-% SiO2 eingesetzt werden.
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Nachdem das Arbeitsmedium in den Behälter eingebracht und das Lotmaterial auf den Verschlussbereich aufgebracht worden ist, wird in der Kammer ein Vakuum hergestellt und der Deckel auf den Verschlussbereich aufgesetzt. Nachfolgend erfolgt ein Energieeintrag im Bereich der Verschlussnaht, wodurch das Lotmaterial aufgeschmolzen wird. Der Energieeintrag wird vorteilhafterweise mittels Laser realisiert. Nach dem Abkühlen der Lotnaht kann das Wärmerohr aus der Kammer entfernt werden und ist einsatzbereit.
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Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Arbeitsmediums können die Fertigung keramischer Wärmerohre deutlich vereinfacht, die Fertigungskosten dadurch gesenkt und das Gefährdungspotential beim Umgang mit dem Arbeitsmedium vermindert werden. Von Vorteil ist auch, dass die erfindungsgemäßen keramischen Wärmerohre unter vielen Umgebungsbedingungen inert sind und insbesondere auch unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei den bekannten Arbeitstemperaturen problemlos eingesetzt werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Beispiel
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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, 27 Ma.-% Al2O3 und 35 Ma.-% SiO2 wird beidseitig auf die kreisförmige Fügefläche des keramischen Rohres und des Deckels aufgebracht.
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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 nachfolgend der Deckel mit Hilfe eines Manipulators auf die kreisförmige Fügefläche 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.