DE102015210081A1

DE102015210081A1 - Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Fluidleitung sowie gasdichte Fluidleitung

Info

Publication number: DE102015210081A1
Application number: DE102015210081.2A
Authority: DE
Inventors: Volker Rauhut; Dionysios Kaliampos
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Fluidleitung mit den Verfahrensschritten koaxiale Anordnung eines Kohlefasergewebeschlauchs auf einem Formkörper, derart, dass der Kohlefasergewebeschlauch durch Umhüllung des Formkörpers einen Rohrformling ausbildet; Imprägnierung des Rohrformlings mit einem Kunstharz; Aushärten des Kunstharzes zur Gestaltfixierung des Rohrformlings auf dem Formkörper und zur Ausbildung eines Geweberohres; Pyrolysierung des Geweberohres zur Ausbildung der Fluidleitung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Fluidleitung mit den Verfahrensschritten: koaxiale Anordnung eines Kohlefasergewebeschlauchs auf einem Formkörper, derart, dass der Kohlefasergewebeschlauch durch Umhüllung des Formkörpers einen Rohrformling ausbildet, Imprägnierung des Rohrformlings mit einem Kunstharz, Aushärten des Kunstharzes zur Gestaltfixierung des Rohrformlings auf dem Formkörper und zur Ausbildung eines Geweberohres sowie Pyrolysierung des Rohrformlings zur Ausbildung einer Fluidleitung. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine gemäß dem vorstehenden Verfahren hergestellte Fluidleitung.
Es ist bekannt, zur Herstellung von gasdichten Fluidleitungen Kunststoffe oder Metalle zu verwenden. Die Einsatzbereiche von Kunststoffen oder Metallen zur Herstellung von gasdichten Fluidleitungen finden jedoch bei Anwendungen ihre Grenze, bei denen die Fluidleitungen Temperaturen ausgesetzt sind, die die Gestaltfestigkeit oder die Dichtigkeit der Fluidleitung beeinflussen. Dies ist insbesondere in Hochtemperaturumgebungen der Fall, die etwa bei Kristallzuchtanlagen, Härteöfen oder Sinteranlagen als unmittelbare Folge der in den genannten Anlagen ablaufenden Hochtemperaturprozesse gegeben sind. Bei derartigen Anlagen werden Fluidleitungen insbesondere zu Kühlzwecken eingesetzt, wobei aus den Fluidleitungen Kühlschlangen oder Gaszuführungen gebildet werden, in denen ein Kühlmedium innerhalb der Hochtemperaturumgebung und zur Hochtemperaturumgebung abgedichtet geführt wird.
Aufgrund der sehr begrenzten oder je nach Höhe der Umgebungstemperatur auch ausgeschlossenen Verwendung von Kunststoffen oder Metallen zur Herstellung von gasdichten Fluidleitungen bieten sich grundsätzlich andere bekannte hochtemperaturfeste Materialien zur Herstellung von Fluidleitungen, wie beispielsweise kohlefaserverstärkter Kohlenstoff, an, wobei sich jedoch in der Praxis die Verarbeitung von Kohlefaser-Materialien als aufwendig erwiesen hat, da insbesondere die Herstellung von in einer oder zwei Ebenen gekrümmt ausgebildeten Fluidleitungen die Anwendung eines komplexen Formgebungsverfahrens mit Verwendung entsprechend teurer Formwerkzeuge, in die beispielsweise ein Kohlefaser-Prepreg zur Erzielung der späteren Form der Fluidleitung eingelegt werden muss, voraussetzt.
Dieses aufwendige Formgebungsverfahren verhindert eine kostengünstige Herstellung von Fluidleitungen auf CFC-Basis.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von gasdichten Fluidleitungen vorzuschlagen, das eine kostengünstige Herstellung von Fluidleitungen auf CFC-Basis ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die koaxiale Anordnung eines Kohlefasergewebeschlauchs auf einem Formkörper, derart, dass der Kohlefasergewebeschlauch durch Umhüllung des Formkörpers einen Rohrformling ausbildet. Dabei dient der Formkörper zur Definition der Gestalt der fertig gestellten Fluidleitung. Somit wird zur Herstellung der Fluidleitung die Verwendung eines Kohlefasergewebeschlauchs ermöglicht, der als solcher keine definierte Gestaltausbildung aufweist, sondern in seinem Ausgangszustand schlaff ausgebildet ist und beispielsweise als endloses Rollenmaterial zur Verfügung steht. Die Gestaltdefinition des Kohlefasergewebeschlauchs erfolgt vielmehr durch koaxiale Anordnung des Kohlefasergewebeschlauchs auf dem Formkörper.
Ohne die Verwendung eines bislang üblicherweise verwendeten Formwerkzeugs, in den ein Kohlefasergewebe eingelegt wird, kann nun nachfolgend eine Imprägnierung des Rohrformlings mit einem Kunstharz und die Aushärtung des Kunstharzes zur Gestaltfixierung des Rohrformlings und Ausbildung eines Geweberohres erfolgen.
Durch eine nachfolgende Pyrolysierung des Geweberohres erfolgt eine Carbonisierung der Kunstharzmatrix.
Wenn das Geweberohr während der Pyrolisierung auf dem Formkörper angeordnet ist, kann je nach Ausbildung des Formkörpers eine Eliminierung des Formkörpers durch Zersetzung erfolgen, oder der Formkörper wird zumindest teilweise zu einem Bestandteil der Fluidleitung.
Wenn der Formkörper vor der Pyrolisierung aus dem Geweberohr entfernt wird, kann eine Wiederverwendung des Formkörpers erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt für den Fall, dass für den beabsichtigten Verwendungszweck der Fluidleitung keine ausreichende Gasdichtigkeit der Fluidleitung allein aufgrund der Pyrolysierung des Geweberohres vorliegt, ergänzend eine nachfolgende pyrolytische Abscheidung von Kohlenstoff auf die Innen- und/oder Außenwand der Fluidleitung zur Ausbildung einer gasdichten Rohrwand der Fluidleitung.
Für den Fall, dass besondere Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Fluidleitung gestellt werden, kann der Rohrformling nachfolgend der Imprägnierung des Gewebeschlauchs mit dem Kunstharz zum Aushärten des Kunstharzes in einer Graphitform angeordnet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Durchführung des Verfahrens ein flexibler Formkörper verwendet wird und der durch Anordnung des Gewebeschlauchs auf dem Formkörper ausgebildete Rohrformling vor Ausbildung des Geweberohres um eine Biegeachse quer zur Längsachse des Formkörpers gebogen und in definierter Biegestellung fixiert wird, sodass in ihrer Gestalt definierte Bogenstücke der Fluidleitung herstellbar sind.
Wenn der Formkörper zusätzlich zur Biegung um eine Biegeachse quer zur Längsachse des Formkörpers um die Längsachse tordiert und in definierter Torsionsstellung fixiert wird, können in zwei Ebenen gekrümmt bzw. gebogen ausgeführte Fluidleitungsstücke, also beispielsweise spiralförmig ausgebildete Fluidleitungsstücke, erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Formkörper als Kunststoffrohr ausgebildet ist, so dass eine im Wesentlichen vollständige Eliminierung des Formkörpers durch Zersetzung erfolgen kann und darüber hinaus bei flexibler Ausgestaltung des Kunststoffrohres, das insbesondere als Kunststoffschlauch ausgebildet sein kann, Fluidleitungen mit beliebig gekrümmtem Verlauf herstellbar sind.
Insbesondere bei einer beabsichtigten Verwendung der Fluidleitung in einer Hochtemperaturumgebung oberhalb 1.000°C ist es vorteilhaft, wenn die Fluidleitung nach der Pyrolysierung des Rohrverbundes in einem weiteren Verfahrensschritt graphitiert wird.
Bei Bedarf kann die Rohrwand der Fluidleitung mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen werden, die insbesondere durch Abscheidung von Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid auf die Rohrwand erfolgen kann.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Fluidleitung weist ein carbonisiertes oder graphitiertes Geweberohr auf.
Vorzugsweise ist die Fluidleitung zumindest abschnittweise bogenförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt für Kühlanwendungen ist es, wenn die Fluidleitung zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen eine Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fluidleitung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine S-schlagförmig gebogene Fluidleitung in isometrischer Darstellung;
2 einen Querschnitt der in 1 dargestellten Fluidleitung gemäß Schnittlinienverlauf II-II in 1;
3 einen Rohrverbund zur Herstellung der in 2 dargestellten Fluidleitung.
In den 1 und 2 ist eine Fluidleitung 10 dargestellt, die einen mehrlagigen Schichtaufbau aufweist, mit einer Gewebestrukturschicht 12 mit Filamenten 14, die in einer Kohlenstoffmatrix 18 angeordnet sind, einer innen liegenden Carbonschicht 11 und einer äußeren Carbonschicht 15. Die Carbonschichten 11, 15 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch in einem CVD(Chemical Vapor Deposition)- oder CVI(Chemical Vapor Infiltration)-Prozess pyrolytisch abgeschiedenen Kohlenstoff gebildet und bewirken eine erhöhte Gasdichtigkeit der Fluidleitung 10.
3 zeigt den Querschnitt eines zur Herstellung der in den 1 und 2 dargestellten Fluidleitung 10 auf einem Kunststoffrohr als Formkörper 17 angeordneten Rohrformlings 19. Der Rohrformling 19 ist durch einen in seiner Gestalt durch den Formkörper 17 definierten Kohlefasergewebeschlauch 13 gebildet. Zur Gestaltfixierung ist der Kohlefasergewebeschlauch 13 mit Kunstharz getränkt, so dass nach Aushärtung einer Gestalt fixierenden Kunstharzmatrix 20, in der die Filamente 14 des Kohlefasergewebeschlauchs 13 eingebettet sind, aus dem Rohrformling 19 ein Geweberohr 16 gebildet ist.
Zur Ausbildung der in 2 dargestellten Fluidleitung 10 wird das Geweberohr 16 nachfolgend pyrolisiert, so dass eine Umwandlung der Kunstharzmatrix 20 in die Kohlenstoffmatrix 18 erfolgt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Fluidleitung (10) mit den Verfahrensschritten: – koaxiale Anordnung eines Kohlefasergewebeschlauchs (13) auf einem Formkörper (17), derart, dass der Kohlefasergewebeschlauch durch Umhüllung des Formkörpers einen Rohrformling (19) ausbildet; – Imprägnierung des Rohrformlings (19) mit einem Kunstharz; – Aushärten des Kunstharzes zur Gestaltfixierung des Rohrformlings auf dem Formkörper und zur Ausbildung eines Geweberohres (16); – Pyrolysierung des Geweberohres (16) zur Ausbildung der Fluidleitung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass des Geweberohr (16) während der Pyrolisierung auf dem Formkörper (17) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (17) vor der Pyrolisierung aus dem Geweberohr (16) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend der Pyrolisierung eine pyrolytische Abscheidung von Kohlenstoff auf die Innen- und/oder Außenwand der Fluidleitung (10) zur Ausbildung einer gasdichten Rohrwand der Fluidleitung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend der Imprägnierung des Kohlefasergewebeschlauchs (13) mit dem Kunstharz der auf dem Formkörper (17) angeordnete Rohrformling (19) zum Aushärten des Kunstharzes und Ausbildung des Geweberohres (16) in einer Graphitform angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (17) flexibel ausgebildet ist und mit dem darauf angeordneten Rohrformling (19) vor Ausbildung des Geweberohres (16) um eine Biegeachse quer zur Längsachse des Formkörpers gebogen und während der Ausbildung des Geweberohres in definierter Biegestellung fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (17) zusätzlich zur Biegung um eine Biegeachse quer zur Längsachse des Formkörpers um die Längsachse tordiert und in definierter Torsionsstellung fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (17) als Kunststoffrohr ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (10) nachfolgend der Pyrolysierung des Geweberohres (16) graphitiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand der Fluidleitung (10) mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Abscheidung von Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid auf die Rohrwand erfolgt.
Fluidleitung, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (10) aus einem carbonisierten oder graphitierten Geweberohr (16) gebildet ist.
Fluidleitung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (10) zumindest abschnittsweise bogenförmig ausgebildet ist.
Fluidleitung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (10) zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist.