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Die Erfindung betrifft eine Durchströmungsvorrichtung.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Durchströmungsvorrichtung.
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Aus der
US 7,281,688 ist ein thermisches Schutzsystem bekannt.
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Aus der
DE 38 14 224 C1 ist ein Verfahren zur Vorbehandlung von Aluminiumnitrid-Keramiken bekannt.
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Aus der
US 3,808,833 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von dünnen aerodynamischen Strukturen bekannt.
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Aus der
US 5,257,757 ist eine Kühlvorrichtung für Überschallfahrzeuge bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchströmungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche bei einfacher Herstellbarkeit optimierte Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Durchströmungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Durchströmungskörper aus einem offenporösen Material vorgesehen ist, welcher mit Fluid durchströmbar ist, und mindestens eine an dem Durchströmungskörper angeordnete fluiddichte metallische Lage vorgesehen ist, welche an dem Durchströmungskörper chemisch oder elektrochemisch aufgetragen ist.
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Durch den Durchströmungskörper ist Fluid durchführbar. Dadurch lässt sich beispielsweise eine aktiv gekühlte Struktur realisieren. Durch die mindestens eine metallische Lage wird für eine fluiddichte Abdichtung gesorgt. Es lässt sich eine definierte Fluidführung realisieren. Über die metallische Lage lässt sich eine Krafteinleitung realisieren. Es lassen sich auf einfache Weise weitere Elemente relativ zu dem Durchströmungskörper fixieren bzw. anbinden. Über die mindestens eine fluiddichte metallische Lage kann Energie zugeführt werden oder abgeführt werden. Es ist eine funktionale Geometrievorgabe möglich. Die mindestens eine fluiddichte metallische Lage sorgt für mechanische Stabilisierung.
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Durch eine chemische oder elektrochemische Auftragung lässt sich auf einfache Weise eine dichte und damit auch fluiddichte Lage herstellen, da bei der Herstellung keine Temperaturänderungen (im Vergleich zu Ofenprozessen oder Heißspritzverfahren) notwendig sind.
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Es lassen sich komplizierte Geometrien realisieren beispielsweise mit Hinterschneidungen und Verwinkelungen.
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Durch die metallische Lage lassen sich Vorteile von metallischen Werkstoffen nutzen. Beispielsweise lässt sich durch die Verwendung von temperaturbeständigen Metallen eine hohe Temperaturbeständigkeit erreichen. Die hohe mechanische Festigkeit und gute Verarbeitung von Metallen lässt sich beispielsweise dazu nutzen, an der metallischen Lage ein oder mehrere Gewinde für die Anbindung von weiteren Elementen herzustellen.
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Ferner lassen sich Lagerflächen und/oder Dichtflächen auch an einem Durchströmungskörper über die mindestens eine metallische Lage realisieren.
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Durch die Herstellung der mindestens einen fluiddichten metallischen Lage auf dem offenporösen Durchströmungskörper lässt sich eine gute Verzahnung erreichen und die Ablösungsgefahr ist verringert.
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Eine entsprechende Durchströmungsvorrichtung wird beispielsweise für ein Bauteil, welches gekühlt werden soll und beispielsweise transpirationsgekühlt und/oder regenerativ gekühlt werden soll, verwendet. Es existiert eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten.
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Es lässt sich mittels der mindestens einen metallischen Lage eine Multifunktionalität realisieren.
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Durch die offenporöse Struktur sind in dem mindestens einen Durchströmungskörper Mikrokanäle gebildet. Ein Durchmesser dieser Mikrokanäle ist insbesondere kleiner gleich 0,5 mm.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine metallische Lage an dem Durchströmungskörper galvanisch (elektrochemisch) aufgetragen ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine metallische Lage mit einer definierten Schichtdicke und dabei hoher Fluiddichtigkeit herstellen.
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Insbesondere beträgt eine Dicke der mindestens einen metallischen Lage mindestens 0,1 mm.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Dicke der mindestens einen metallischen Lage im Bereich zwischen 0,1 mm und 10 cm liegt. Die Dicke wird insbesondere in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung gewählt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Durchströmungskörper mindestens einen Einlass für Fluid und mindestens einen Auslass für Fluid aufweist. Es kann dann Fluid zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass strömen. An dem mindestens einen Einlass und an dem mindestens einen Auslass ist keine metallische Lage angeordnet.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die mindestens eine metallische Lage so angeordnet ist, dass Fluid in dem mindestens einen Durchströmungskörper zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass geführt ist. Es wird dadurch in dem Durchströmungskörper durch die mindestens eine metallische Lage gewissermaßen ein Rohr für die Führung integriert.
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Die mindestens eine metallische Lage kann dabei an der inneren Oberfläche und/oder äußeren Oberfläche des mindestens einen Durchströmungskörpers angeordnet sein, in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist an dem mindestens einen Durchströmungskörper mindestens ein Hohlraum angeordnet. Dieser mindestens eine Hohlraum dient beispielsweise als Fluidverteilungsraum, von welchem aus Fluid in das offenporöse Material eingekoppelt wird. Beispielsweise lässt sich dann eine Leitung an den mindestens einen Hohlraum anschließen und druckbeaufschlagtes Fluid dann in den Hohlraum einkoppeln.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist an dem mindestens einen Durchströmungskörper mindestens ein Kanal und/oder mindestens eine Bohrung angeordnet, welcher oder welche eine Wandung aus der mindestens einen metallischen Lage aufweist. Die Wandung aus der mindestens einen metallischen Lage sorgt dann für eine Fluidführung und/oder an ihr kann auf einfache Weise eine Anbindungseinrichtung hergestellt werden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn dann an der mindestens einen metallischen Lage eine Krafteinleitungseinrichtung und/oder Anbindungseinrichtung und/oder Befestigungseinrichtung für eine oder mehrere weitere Elemente angeordnet oder gebildet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Ankopplung (Anbindung, Befestigung usw.) von weiteren Elementen bezüglich des Durchströmungskörpers erreichen. Es werden die vorteilhaften Eigenschaften von metallischen Materialien genutzt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist an der mindestens einen metallischen Lage eine Formschlusseinrichtung angeordnet oder gebildet. Über die Formschlusseinrichtung ist beispielsweise über ein Gewinde oder über eine Schwalbenschwanzverbindung ein weiteres Element relativ zu dem Durchströmungskörper fixierbar.
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Beispielsweise ist an der mindestens einen metallischen Lage ein Gewinde angeordnet oder gebildet. Dadurch lässt sich ein weiteres Element fixieren. Beispielsweise lässt sich auch eine Leitung anschließen.
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Es ist dann vorteilhaft, wenn der mindestens eine Durchströmungskörper mindestens einen Kanal und/oder mindestens eine Bohrung aufweist mit einer Wandung, welche aus der mindestens einen metallischen Lage gebildet ist oder an welcher ein Gewinde hergestellt ist. Ein entsprechendes Gewinde lässt sich auf einfache Weise herstellen, indem es beispielsweise an dem Metall der Wandung herausgebohrt wird.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist an der mindestens einen metallischen Lage eine Presspassungseinrichtung angeordnet oder gebildet. Es lässt sich dadurch ein weiteres Element (beispielsweise auch eine Leitung) über einen Presspasssitz fixieren.
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Es ist auch möglich, dass an der mindestens einen metallischen Lage ein Bereich für eine stoffschlüssige Verbindung gebildet ist. Es ist dadurch auf einfache Weise möglich, ein weiteres Element über die metallische Lage mit dem Durchströmungskörper beispielsweise durch Schweißen oder Löten zu verbinden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine metallische Lage als Wärmeübertragungsfläche ausgebildet. Es kann dann Wärme zugeführt bzw. abgeführt werden.
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Günstig ist es, wenn die mindestens eine metallische Lage aus Kupfer und/oder aus einer Kupferlegierung und/oder aus Nickel und/oder aus einer Nickellegierung und/oder aus Wolfram und/oder aus einer Wolframlegierung hergestellt ist. Es lassen sich dadurch vorteilhafte Eigenschaften erreichen.
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Beispielsweise lässt sich eine hohe Temperaturbeständigkeit realisieren. Es lässt sich eine enge Verzahnung der mindestens einen metallischen Lage mit dem offenporösen Durchströmungskörper erreichen. Dadurch wird eine Delaminationsgefahr verringert.
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Günstig ist es, wenn der mindestens eine Durchströmungskörper aus einem faserverstärkten Material hergestellt ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine offenporöse Struktur mit Mikrokanälen realisieren, welche eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Es kann eine richtungsabhängige Wärmeleitung realisiert/eingestellt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der offenporöse Durchströmungskörper durch Pyrolyse eines Körpers aus einem Kohlenstoff-Precursormaterial hergestellt. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine offenporöse Struktur herstellen.
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Beispielsweise ist das Material des mindestens einen Durchströmungskörpers C/C oder umfasst C/C. Der Durchströmungskörper ist dann ein Kohlenstoffkörper, welcher durch Kohlenstofffasern verstärkt ist, oder umfasst ein solches Material. Beispielsweise kann noch ein Carbidanteil wie SiC-Anteil enthalten sein.
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Eine erfindungsgemäße Durchströmungsvorrichtung lässt sich erfindungsgemäß beispielsweise als Wärmeübertrager oder als Mischer oder als Filter oder als Katalysator oder als thermische Schutzvorrichtung insbesondere mit einer Transpirationskühlung oder Regenerativkühlung einsetzen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Durchströmungsvorrichtung bereitgestellt, bei dem der poröse Durchströmungskörper hergestellt wird und mindestens eine metallische Lage chemisch oder elektrochemisch an dem Durchströmungskörper aufgetragen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Durchströmungskörper erläuterten Vorteile auf.
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Es ist vorteilhaft, wenn eine oder mehrere Flächen, welche von der mindestens einen metallischen Lage freigehalten werden sollen, vor dem Auftrag der mindestens einen metallischen Lage abdeckt werden. Dadurch lässt sich auf einfache Weise die mindestens eine metallische Lage selektiv aufbringen. Die Abdeckung kann beispielsweise über ein Klebeband, über ein elektrisch nicht leitendes Wachs, über einen elektrisch nicht leitenden Lack usw. erfolgen.
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Es kann günstig sein, wenn der Durchströmungskörper vor der Auftragung der mindestens einen metallischen Lage teilweise mit einem Wachs und insbesondere elektrisch leitenden Wachs infiltriert wird. Es lässt sich dadurch die Eindringtiefe des metallischen Materials in den Durchströmungskörper gering halten bzw. wenn die Poren des offenporösen Durchströmungskörpers relativ groß sind (beispielsweise einen Durchmesser von größer als 0,1 mm aufweisen), lässt sich dadurch ein zu tiefes Eindringen des metallischen Materials in den Durchströmungskörper verhindern. Das Wachs wird nach Herstellung der mindestens einen metallischen Lage insbesondere durch Wärmebehandlung entfernt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird an dem Durchströmungskörper ein Kanal und/oder eine Bohrung hergestellt, es wird dann eine Wandung in dem Kanal oder der Bohrung mit der mindestens einen metallischen Lage beschichtet, wobei eine metallische Wandung hergestellt wird, und ein Gewinde wird an der metallischen Wandung hergestellt. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise ein Gewinde bezüglich des Durchströmungskörpers herstellen, wobei das Gewinde nicht in dem offenporösen Material hergestellt wird, sondern an der metallischen Lage, welche mit dem offenporösen Material verzahnt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine metallische Lage nach der Herstellung spanabhebend bearbeitet wird und insbesondere geschliffen wird. Dadurch lässt sich eine glatte Oberfläche erreichen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Durchströmungsvorrichtung Gleiteigenschaften bezüglich eines oder mehrerer anderer Elemente aufweisen sollen.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Durchströmungsvorrichtung;
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2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs gemäß 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Befestigungseinrichtung;
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3 eine Darstellung des Bereichs mit dem Ausführungsbeispiel einer zweiten Befestigungseinrichtung;
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4 den Bereich mit einer Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Befestigungseinrichtung;
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5 den Bereich mit einem vierten Ausführungsbeispiel einer Befestigungseinrichtung;
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6(a) bis (g) unterschiedliche Schritte bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer Durchströmungsvorrichtung, wobei das konkrete Ausführungsbeispiel eine Flügelvorderkante ist; und
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7 ein Schliffbild eines Ausführungsbeispiels einer Durchströmungsvorrichtung mit einem C/C-Durchströmungskörper und einer Kupfer-Beschichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Durchströmungsvorrichtung, welches in 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Durchströmungskörper 12. Der Durchströmungskörper 12 ist durch Fluid durchströmbar.
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Der Durchströmungskörper 12 ist offenporös ausgebildet. Er weist dadurch Mikrokanäle auf, durch die Fluid durchströmbar ist.
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Der offenporöse Durchströmungskörper 12 ist beispielsweise aus einem oxidischen oder nichtoxidischen Material hergestellt. Er ist beispielsweise aus einem offenporösen Keramikmaterial hergestellt oder aus einem schwammartigen Material wie beispielsweise einem Metallschwamm. Er kann aus einem metallischen oder nicht-metallischen Material hergestellt sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Durchströmungskörper 12 aus einem faserverstärkten Material hergestellt.
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Beispielsweise ist der Durchströmungskörper 12 ein C/C-Körper (mit oder ohne SiC-Anteil). Ein solcher offenporöser C/C-Körper ist aus Kohlenstoff hergestellt mit einer Verstärkung aus Kohlenfasern. Ein solcher Durchströmungskörper wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass ein Körper (Vorkörper) aus einem Kohlenstoff-Precursormaterial pyrolysiert wird. Bei der Pyrolyse entsteht Kohlenstoff und es entstehen Poren für die offene Porosität.
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Der Durchströmungskörper 12 ist mit mindestens einer fluiddichten metallischen Lage versehen, welche chemisch oder elektrochemisch aus dem Durchströmungskörper 12 aufgebracht ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine fluiddichte metallische Lage 14 an einer Oberfläche 16 des Durchströmungskörpers 12 angeordnet.
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Der Durchströmungskörper 12 weist eine erste Stirnseite 18 und eine zweite Stirnseite 20 auf. Die erste Stirnseite 18 und die zweite Stirnseite 20 sind frei von der metallischen Lage 14. Die restliche (äußere) Oberfläche 16 ist mit der metallischen Lage 14 bedeckt.
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Eine typische Dicke D (vergleiche 2) der metallischen Lage 14 liegt je nach Anwendung im Bereich zwischen beispielsweise 0,1 mm und 10 cm.
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Die metallische Lage 14 ist beispielsweise aus Kupfer hergestellt. Insbesondere in Kombination mit einem C/C-Durchströmungskörper 12 ergibt sich eine gute Anhaftbarkeit einer solchen metallischen Lage 14.
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Es ist beispielsweise auch möglich, dass die metallische Lage 14 aus Nickel oder Wolfram oder einer entsprechenden Metalllegierung hergestellt ist.
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Die Durchströmungsvorrichtung 10 weist einen Einlass 22 für Fluid und einen Auslass 24 für Fluid auf.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Einlass 22 an der ersten Stirnseite 18 gebildet und der Auslass 24 ist an der zweiten Stirnseite 20 gebildet. Fluid kann dann die Durchströmungsvorrichtung 10 zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 durchströmen, wobei die fluiddichte metallische Lage 14 dafür sorgt, dass der Hauptströmungsweg eben zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 liegt und insbesondere kein Fluid an der Oberfläche 16 ausströmen kann.
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Durch die metallische Lage 14 an dem Durchströmungskörper 12 ist der Fluidweg an dem Durchströmungskörper 12 vorgebbar.
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Die metallische Lage 14 ist insbesondere galvanisch (elektrochemisch) auf den Durchströmungskörper 12 aufgetragen. Es ist dadurch eine Abdichtung an dem Durchströmungskörper 12 hergestellt.
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Es hat sich gezeigt, dass sich bei einer galvanischen Aufbringung der metallischen Lage 14 auf den Durchströmungskörper 12 eine gute Verzahnung zwischen der metallischen Lage 14 und dem Material des Durchströmungskörpers 12 ergibt (vergleiche 7).
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Die metallische Lage 14 kann je nach Anwendung unterschiedliche Funktionen (alleine oder in Kombination) erfüllen: Sie kann zur fluiddichten Abdichtung des Durchströmungskörpers 12 dienen und damit auch zur Fluidführung insbesondere zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24.
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Die metallische Lage 14 kann zur Krafteinleitung verwendet werden bzw. zur Befestigung von weiteren Bauteilen relativ zu dem Durchströmungskörper 12.
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Die metallische Lage 14 kann zur Abfuhr und/oder Zufuhr von Energie und beispielsweise von Wärme (positiv oder negativ) genutzt werden. Insbesondere lässt sich mit der metallischen Lage 14 eine Wärmeübertragungsfläche zur Verbindung mit einer Wärmequelle oder Wärmesenke bereitstellen.
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Durch die metallische Lage 14 lässt sich an dem Durchströmungskörper 12 eine funktionelle Geometrievorgabe realisieren.
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Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass der Durchströmungskörper 12 von einem oder auch von mehreren Fluiden durchströmt wird.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Krafteinleitungseinrichtung bzw. Befestigungseinrichtung (Anbindungseinrichtung) 26 (2) dadurch realisiert, dass an dem Durchströmungskörper 12 ein Kanal oder eine Bohrung 28 gebildet ist. Dieser Kanal 28 bzw. die Bohrung 28 ist als Ausnehmung bezüglich der Oberfläche 16 ausgebildet. Der Kanal 28 hat eine Wandung 30, welche insbesondere für eine Fluiddichtigkeit sorgt und damit sowohl einen Boden als auch Seitenwände des Kanals 28 bzw. der Bohrung 28 abdeckt. Die Wandung 30 ist Teil der metallischen Lage 14.
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An der Wandung 30 ist bei einem Ausführungsbeispiel ein Gewinde 32 hergestellt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gewinde 32 ein Innengewinde.
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Dieses Gewinde 32 ist integral (und dabei insbesondere einstückig) an der Wandung 30 und damit an der metallischen Lage 14 im Bereich des Kanals bzw. der Bohrung 28 gebildet.
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Beispielsweise wird zur Herstellung des Gewindes 32 nach der Herstellung eines Vorkanals bzw. einer Vorbohrung das metallische Material aufgebracht und dabei in einer solchen Dicke, dass ein Gewinde herstellbar ist. Es wird dann beispielsweise durch ein entsprechendes Gewindewerkzeug das Gewinde 32 an dem Kanal 28 bzw. der Bohrung 28 geschnitten.
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Die Befestigungseinrichtung gemäß 2 ist eine Formschlusseinrichtung 34. Beispielsweise über eine Schraube 36 lässt sich an der Formschlusseinrichtung 34 ein Element 38 fixieren.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Presspasseinrichtung 40 an der metallischen Lage 14 vorgesehen (3). Dabei ist wiederum ein Kanal oder eine Bohrung 28 vorgesehen. An dieser sitzt eine Wandung der metallischen Lage 14. Diese ist so ausgestaltet, dass ein Gegenelement 42 über einen Presspasssitz an dem Durchströmungskörper 12 fixierbar ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (4) ist an der metallischen Lage 14 beispielsweise an einem Kanal 28 ein Bereich 44 gebildet, über den zwischen dem Durchströmungskörper 12 mit der metallischen Lage 14 und einem Element 46 eine stoffschlüssige Verbindung herstellbar ist. Die metallische Lage 14 stellt den Bereich 44 bereit, über welchen das Element 46 beispielsweise durch Schweißen oder durch Löten mit dem Durchströmungskörper 12 verbindbar ist. Die metallische Lage 14 stellt dadurch ein Anbindungsmittel für das Element 46 bereit.
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Beispielsweise lässt sich auch eine Presspasseinrichtung 40 mit einem Bereich 44 zur stoffschlüssigen Anbindung kombinieren.
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Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Bereich 44 zur stoffschlüssigen Verbindung an einem Kanal bzw. einer Bohrung 28 angeordnet ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Formschlusseinrichtung 48 (5) ist in dem Durchströmungskörper 12 eine Ausnehmung 50 vorgesehen, welche eine Wandung 52 aus dem metallischen Material aufweist. Diese Wandung 52 ist Teil der metallischen Lage 14. Diese kleidet eben die Ausnehmung 50 aus.
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Die Ausnehmung 50 weist einen Hinterschnitt auf. Die Ausnehmung 50 stellt eine Anlagefläche 54 für ein Gegenelement 56 bereit, wobei bei Wegnehmen des Gegenelements 56 von dem Durchströmungskörper 12 das Gegenelement 56 insbesondere in der Ausnehmung 50 an die Anlagefläche 54 anliegt und dabei eben die Wegnehmbarkeit sperrt. Insbesondere ist die Ausnehmung 50 in Kombination mit dem Gegenelement 56 als Schwalbenschwanzführung ausgebildet.
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Das Gegenelement 56 lässt sich dadurch zumindest in einer Richtung formschlüssig an dem Durchströmungskörper 12 halten. Die metallische Lage 14 mit der Wandung 52 stellt die Anbindungsmittel für die Verbindung des Gegenelements 56 mit dem Durchströmungskörper 12 bereit.
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Die Anbindung eines weiteren Elements an den Durchströmungskörper 12 und damit an die Durchströmungsvorrichtung 10 bzw. die Anbindung eines Elements der Durchströmungsvorrichtung 10 an diese kann insbesondere formschlüssig (beispielsweise über ein Gewinde 32 oder eine Formschlusseinrichtung 48) erfolgen. Sie kann kraftschlüssig beispielsweise über die Presspasseinrichtung 40 erfolgen. Sie kann beispielsweise auch stoffschlüssig über einen oder mehrere Bereiche 44 erfolgen.
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Durch die offenporöse Struktur des Durchströmungskörpers 12 lässt sich bei entsprechender geometrischer Ausgestaltung eine Fluidführung in einer vorgegebenen Geometrie erreichen. Es kann grundsätzlich eine Wärmeübertragung erfolgen. Es ist auch möglich, dass Fluide gemischt werden, dass ein oder mehrere Fluide gefiltert werden, oder dass ein Katalysator bereitgestellt wird.
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An der offenporösen Struktur des Durchströmungskörpers 12 kann das Fluid einen Energieaustausch durchführen und insbesondere einen Wärmetausch durchführen. Insbesondere kann das Fluid Wärme aufnehmen bzw. abgeben.
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Durch die Durchströmungsvorrichtung 10 kann ein Strukturschutz bereitgestellt werden insbesondere zum Schutz gegenüber thermischen Belastungen und/oder chemischen Belastungen und/oder mechanischen Belastungen und/oder strömungsmechanischen Belastungen. Die metallische Lage 14 kann auch zur mechanischen Stabilisierung des Durchströmungskörpers 12 und damit der Durchströmungsvorrichtung 10 beitragen.
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Die Durchströmungsvorrichtung 10 wird beispielhaft wie folgt hergestellt:
Zunächst wird der Durchströmungskörper 12 hergestellt. Beispielsweise wird er aus einem Kohlenstoff-Precursormaterial durch Pyrolyse hergestellt.
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An dem entsprechend hergestellten Durchströmungskörper wird, sofern notwendig, eine mechanische Bearbeitung durchgeführt, um diesen in die gewünschte geometrische Form zu bringen. Ferner kann es vorgesehen sein, dass die zu beschichtende Oberfläche 16 mechanische bearbeitet wird. Beispielsweise werden Kanäle bzw. Bohrungen 28 eingebracht, Hinterschnitte hergestellt, Kanten und insbesondere scharfe Kanten hergestellt, Freiformflächen bereitgestellt usw.
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Es wird dann die metallische Lage 14 oder mehrere metallische Lagen 14 hergestellt.
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Es kann dabei notwendig sein, insbesondere wenn der Durchströmungskörper 12 "große Poren" (insbesondere Poren mit einem Durchmesser von größer 0,1 mm) aufweist, oder wenn die Eindringtiefe der hergestellten metallischen Lage 14 an dem Durchströmungskörper 12 minimiert werden soll, dass der Durchströmungskörper 12 mit einem Wachs und insbesondere elektrisch leitenden Wachs infiltriert wird. Dieses elektrisch leitende Wachs ermöglicht eine galvanische (elektrochemische) Auftragung der metallischen Lage 14, wobei nach dem Aufbringen dieses Wachs entfernt werden kann.
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Es werden dann Stellen des Durchströmungskörpers 12, welche nicht mit einer metallischen Lage 14 beschichtet werden sollen, wie beispielsweise der Einlass 22 und der Auslass 24, mit einem nichtleitenden Medium abgedeckt. Beispielsweise wird dazu ein Klebeband, ein Lack, ein Wachs usw. verwendet.
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Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, dass die metallische Lage 14 aufgetragen wird und an den Stellen, an welchen keine metallische Lage gewünscht ist, die metallische Lage durch mechanische Bearbeitung wie beispielsweise Schleifen oder dergleichen entfernt wird.
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Anschließend erfolgt ein elektrochemischer (oder chemischer) Abscheidungsprozess, bei dem der Durchströmungskörper 12 an den gewünschten Stellen beschichtet wird, das heißt mit der fluiddichten metallischen Lage 14 versehen wird. Beispielsweise erfolgt die Beschichtung in einem Elektrolytbad.
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Nach der Herstellung der metallischen Lage 14 werden die Abdeckungen entfernt. Ferner werden die Imprägnierungen entfernt. Insbesondere erfolgt eine Wärmebehandlung zur Entfernung von Abdichtungen und Imprägnierungen. Falls notwendig, erfolgt danach eine spanende bzw. schleifende Bearbeitung der hergestellten metallischen Lage 14. Ferner erfolgt, falls notwendig, eine entsprechende Bearbeitung zur Herstellung des Einlasses 22 und des Auslasses 24.
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel (6) wird eine Flügelvorderkante hergestellt. Dazu wird von einem Durchströmungskörper 58 ausgegangen, welcher offenporös ist. Es handelt sich dabei beispielsweise um einen offenporösen C/C-Körper oder C/C-SiC-Körper.
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Dieser wird in eine entsprechende funktionale Form (6(b)) gebracht. Es werden die nicht zu beschichtenden Flächen 60 abgedeckt. Die zu beschichtenden Flächen 62 werden nicht abgedeckt (6(c)). In dem gezeigten Beispiel soll ein seitlicher Bereich 62 mit einer entsprechenden metallischen Lage versehen werden, wobei ein vorderer Bereich 60 als Auslass nicht mit einer solchen metallischen Lage versehen werden soll und entsprechend beschichtet wird.
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Es kann dabei vorgesehen werden, dass insbesondere vor dem Schritt des "Abklebens" ein Hohlraum 64 (6(d) und (e), wobei 6(e) eine Ansicht in der Richtung A ist) hergestellt wird. Dieser Hohlraum 64 ist insbesondere eine Fluidkammer. Zu dem Hohlraum 64 führt ein Kanal 66 von einer Rückseite 68.
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Dieser so hergestellte Körper ohne den Schritt gemäß 6(c) abdeckte Körper wird beispielsweise in eine Elektrolytlösung getaucht und dabei beschichtet und beispielsweise mit Kupfer beschichtet. Als Ergebnis erhält man eine Flügelvorderkante 70 (6(f) und (g), wobei 6(g) eine Ansicht der Flügelvorderkante 70 gemäß 6(f) in der Richtung B ist), an welcher nach vorne hin Fluid ausströmbar ist, um beispielsweise eine Kühlbarkeit im Betrieb zu erreichen.
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Der Kanal 66 wird bei einem Ausführungsbeispiel separat in einer bestimmten Tiefe von beispielsweise 10 mm bis 15 mm beschichtet (beispielsweise durch "Brush-Plating"), wobei insbesondere die Beschichtung derart erfolgt, dass ein Gewinde mit einer bestimmten Gewindegröße herstellbar ist.
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Um die Flügelvorderkante 70 zu erhalten, werden die Klebebänder von der Fläche 60 gelöst. Die galvanisch abgeschiedenen Oberflächen werden bearbeitet und insbesondere spanend und schleifend bearbeitet. In den Kanal 66 wird ein Gewinde geschnitten.
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Die hergestellte Flügelvorderkante 70 ist durch ein (Kühl-)Fluid aktiv durchströmbar. An den Kanal 66 kann eine Zuleitung angeschlossen werden, wobei eine Druckbeaufschlagung möglich ist. Die Fixierung der Zuleitung an den Kanal 66 kann über das hergestellte Gewinde erfolgen. Fluid kann in den Hohlraum 64 als Fluidkammer strömen und sich dann im porösen Material der Flügelvorderkante 70 verteilen.
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In 7 ist ein Schliffbild eines Ausführungsbeispiels gezeigt, bei welchem ein C/C-Körper 72 mit Kupfer 74 beschichtet ist. Das Schliffbild ist ein REM-Schliff, welches mit einer Schleifmittelkörnung 2400 hergestellt wurde. Im linken unteren Bereich ist die Längenskala angezeigt.
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Wenn ein Durchströmungskörper 12 und insbesondere ein C/C-Körper mit einer metallischen Lage 14 aus Kupfer versehen wird, dann lässt sich die metallische Lage mit hoher Dichte und damit auch hoher Fluiddichte ausbilden; eine elektrochemische oder chemische Abscheidung kann ohne Temperaturänderungen (im Vergleich beispielsweise zu Ofenprozessen oder Heißspritzverfahren) durchgeführt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird an einem offenporösen Durchströmungskörper 12 ein Metallüberzug bereitgestellt. Es lassen sich dadurch komplexe Geometrien gegebenenfalls auch mit Hinterschneidungen und Verwinklungen realisieren. Die Fluiddurchführung durch den Durchströmungskörper 12 kann ohne besondere Fluidleitungen erfolgen.
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Es lässt sich eine Fluiddichtigkeit mit einem metallischen Material, eben über die metallische Lage 14 erreichen. Dadurch erhält man eine hohe Wärmebeständigkeit. Ferner ist eine Anbindung von weiteren Elementen beispielsweise über Formschluss oder Presspassung oder auch über einen Stoffschluss auf einfache Weise möglich.
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Eine erfindungsgemäße Durchströmungsvorrichtung 10 kann beispielsweise bei Luftfahrtanwendungen wie Hyperschallstrukturen, Brennkammern, Hochdruckturbinenstufen usw. eingesetzt werden. Sie kann entsprechend auch bei Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden. Sie kann beispielsweise im Zusammenhang mit der Energieerzeugung eingesetzt werden, wie beispielsweise einer Turbinenschaufel, einem Gasgenerator, einem keramischen Gasbrenner, bei Wärmeübertragern oder für ein Hochtemperaturlager.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Durchströmungsvorrichtung
- 12
- Durchströmungskörper
- 14
- Metallische Lage
- 16
- Oberfläche
- 18
- Erste Stirnseite
- 20
- Zweite Stirnseite
- 22
- Einlass
- 24
- Auslass
- 26
- Befestigungseinrichtung
- 28
- Kanal/Bohrung
- 30
- Wandung
- 32
- Gewinde
- 34
- Formschlusseinrichtung
- 36
- Schraube
- 38
- Element
- 40
- Presspasseinrichtung
- 42
- Gegenelement
- 44
- Bereich
- 46
- Element
- 48
- Formschlusseinrichtung
- 50
- Ausnehmung
- 52
- Wandung
- 54
- Anlagefläche
- 56
- Gegenelement
- 58
- Durchströmungskörper
- 60
- Fläche
- 62
- Fläche
- 64
- Hohlraum
- 66
- Kanal
- 68
- Rückseite
- 70
- Flügelvorderkante
- 72
- C/C-Körper
- 74
- Kupfer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7281688 [0003]
- DE 3814224 C1 [0004]
- US 3808833 [0005]
- US 5257757 [0006]
