DE10316073A1

DE10316073A1 - Eine Hochtemperatur-Wärmeaustauschervorrichtung

Info

Publication number: DE10316073A1
Application number: DE10316073A
Authority: DE
Inventors: Roger Pays; Patrick Joyez; Clement Bouquet; Benoit Carrere
Original assignee: SNECMA Propulsion Solide SA
Current assignee: Safran Ceramics SA
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2003-10-23
Also published as: JP2003314991A; CA2424697C; JP4278418B2; US20030188856A1; US7013964B2; FR2838183B1; CA2767319C; GB0307247D0; GB2388655A; GB2388655B; FR2838183A1; CA2767319A1; CA2424697A1; NO20031575D0; NO20031575L

Abstract

Bereitstellen einer thermischen Verbindung, die mechanischen Belastungen standhält, einer Hochtemperaturvorrichtung, aufweisend eine Platte (4) mit einer Seite (4b), welche eine Anordnung aus Röhren (2) trägt, in denen eine Flüssigkeit fließt, die Außenwände der Röhren sind mit entsprechenden hoch wärmeleitfähigen Schichten mit Textilbindung (3) bedeckt. Weiterhin weist die Vorrichtung Halteeinrichtungen (7, 8) auf, um Röhren in einer nicht-starren Art und Weise gegen die Platte gedrückt zu halten. Die Vorrichtung ermöglicht, dass ein Wärmeaustausch zwischen der Platte und der Flüssigkeit stattfindet, um die Platte zu kühlen, die Flüssigkeit zu erwärmen oder um in der Tat beides zu tun.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochtemperaturvorrichtungen, in welchen eine Flüssigkeit über die Wand einer Platte fließt.

Stand der Technik

Wärmeaustauschervorrichtungen, welche einen Flüssigkeitsstrom über eine Platte einer Vorrichtung, welche hohen Temperaturen ausgesetzt ist, nutzen, werden inzwischen weit verbreitet verwendet, entweder zur Abkühlung von Materialien, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, oder zur Erwärmung der Flüssigkeit, oder für beide Zwecke. In Bezug auf das Abkühlen von Materialien müssen, obwohl es jetzt thermobeständige Verbundmaterialien gibt, welche hohen Temperaturen besser als konventionelle Materialien standhalten, diese- Materialien häufig immer noch gekühlt werden wegen der auftretenden Temperaturniveaus und/oder wegen der Dauer, während der sie solchen Temperaturen ausgesetzt sind. In verschiedenen Gebieten, wie z. B. der Luftfahrtindustrie oder der Atomindustrie, gibt es Wärmequellen, die so hohe Temperaturen erzeugen, dass spezielle Technologie verwendet werden muss, um diesen Temperaturen standzuhalten. Die Materialien, die diesen Wärmequellen ausgesetzt sind, müssen im Allgemeinen während der Benutzung ständig gekühlt werden, um eine brauchbare Lebensdauer garantieren zu können.
Außerdem ist das Aufheizen einer Flüssigkeit, dadurch dass man sie in einem Wärmeaustauscher mit einer heißen Wand fließen lässt, eine verbreitete Anforderung, die es z. B. in der chemischen Industrie (Zurückgewinnung von Wärme, um Energieverlust zu begrenzen), und in der Luftfahrtindustrie gibt (Erhitzen oder Zersetzen von Brennstoff durch die Wärme, die durch die Wand fließt). Die Hochtemperatur-Vorrichtungen, die aus dieser Art von Technologie bekannt sind, weisen erstens eine Platte auf, um das restliche System von den hohen Temperaturen, die erzeugt werden, zu isolieren, und weisen zweitens eine Flüssigkeitsstrom-Vorrichtung auf, die aus einem Kreislauf von Röhren besteht, die auf der Seite der Wand, die von der Wärmequelle weg gewandt ist, angebracht sind. Damit kann durch Aufrechterhalten eines engen Kontakts zwischen der nicht-exponierten Seite der Platte und dem Kreislauf von Röhren die Platte gekühlt und die Flüssigkeit, die in den Röhren fließt, erwärmt werden.
Dieses Aufbauverfahren zeigt jedoch Einschränkungen in der Herstellung, die berücksichtigt werden müssen, um zu garantieren, dass die Vorrichtung zuverlässig ist. Es ist notwendig, einen kontinuierlichen Kontakt zwischen den Röhren und der Platte während des Schweißens oder Lötens sicherzustellen. Dies impliziert, dass man Mittel verwendet, um entweder das Teil zu fixieren, oder dass man eine Druckkraft ausübt, um die Entstehung von Lücken zu verhindern, die auf Grund der Expansion des Teils auftreten.
Außerdem ist bei dieser Art von Verbindung die erzeugte Vorrichtung hoher mechanischer Belastung bei der Benutzung ausgesetzt, wegen der Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten des Plattenmaterials und des Röhrenmaterials. Die Röhren können daher von der Wand der Platte getrennt werden, was ihre Kühlungsfähigkeit erheblich reduziert und entsprechend die Lebensdauer des Wandmaterials reduziert.
Schließlich ist in dieser Ausführungsart die Verbindung zwischen den Röhren und der Platte permanent und kann nicht auseinander gebaut werden, was jegliche Art von Reparatur oder Instandhaltung ausschließt.
In zahlreichen Anwendungen muss die Fähigkeit der Platte, hohen Temperaturen standzuhalten, mit einem hohen Sicherheitsniveau garantiert werden, auf Grund des Schadens, der verursacht wird, falls die Platte bricht.

Gegenstand und kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die oben genannten Nachteile aufzuheben und eine Hochtemperatur-Wärmeaustauschervorrichtung bereitzustel - len, die es ermöglicht, einen starken Wärmeleitfähigkeitskontakt zwischen der Vorrichtung und dem Flüssigkeitskreislauf aufrecht zu erhalten, ohne hohe mechanische Belastung zu erzeugen, die mit einer eingebetteten Verbindung verbunden sind, wie z. B. einer gelöteten oder geschweißten Verbindung.
Diese Ziele werden erreicht durch eine Hochtemperatur-Wärmeaustauschervorrichtung, die eine Platte aufweist, die geeignet ist, einen Hochtemperatur- Wärmefluss auf der einen Seite aufzunehmen, wobei die andere Seite der Platte einen Kühlkreislauf hat, der aus einer oder mehreren Röhren besteht, in welchen Flüssigkeit fließt, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Außenwände der Röhren mit einer Schicht mit Textilbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit bedeckt sind, und dass die genannte Vorrichtung weiterhin Halteeinrichtungen aufweist, um die Röhren zu halten, die auf eine nicht-starre Art und Weise gegen die Platte gedrückt werden, damit eine thermische Verbindung zwischen den Röhren und der Platte erreicht wird.
Durch diese Vorrichtung werden die internen mechanischen Belastungen, die durch die Deformation der Materialien auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Röhren und der Platte entstehen, während großer Temperaturveränderungen minimiert. Der Kontakt zwischen den Röhren und der Platte erfolgt über die Schicht mit Textilbindung, welche ein Verschieben relativ zueinander zwischen den Röhren und der Platte erlaubt, und die daher Änderungen in der Ausdehnung der verschiedenen Elemente standhalten kann, ohne die thermische Verbindung zwischen den Röhren und der Platte zu unterbrechen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht die Schicht mit Textilbindung aus Fasern mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Fasern aus Kupfer oder Kohlenstoff.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Schicht mit Textilbindung in Form einer röhrenförmigen Struktur ausgeführt sein durch Verwendung von geflochtenen oder gestrickten oder gewirkten Gewebefasern oder in Form eines Bands, welches spiralförmig um die Tuben gewickelt wird.
Die Schicht mit Textilbindung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hat vorzugsweise eine Dicke, die im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm liegt. Sie kann auch einen Fasergehalt von über 30% und ein Oberflächenbedeckungsverhältnis von über 90% aufweisen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist die Halteeinrichtung ein oder mehrere Kabel auf, die unter Spannung gegen die Röhren gehalten werden.
Unter solchen Umständen weist das Material der Kabel, welche die Röhren halten, einen Expansionskoeffizienten, der kleiner gleich dem des Plattenmaterials ist, auf.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Halteeinrichtung eine oder mehrere Federelemente auf, die komprimiert gegen die Röhren drücken.
Die Federelemente können Metallfederblätter aufweisen, die geformt sind, um eine Druckkraft auf die Röhren auszuüben und die wahlweise mit einer elastischen Lagerhalterung ausgestattet sind, die zwischen dem Metallblatt und den betreffenden Röhren plaziert sind.
Alternativ können die Federelemente mindestens eine Metallstange aufweisen, die geformt ist, um eine Druckkraft auf die Röhren auszuüben.
Um den lokalen Effekt der Übertragung der Federkraft, welche durch oben beschriebene Halterungsvorrichtungen erzeugt wird, auszugleichen, können die Röhren eine geringfügig andere Krümmung relativ zur Wand aufweisen. Während des Zusammenbaus werden die Röhren dann leicht gebogen, so dass die Druckkraft gleichförmiger durch die Schicht mit Textilbindung verteilt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Platte Rippen, die zwischen einzelnen Röhren oder einzelnen Reihen von Röhren liegen, wobei die besagten Rippen Aufnahmen enthalten, um die Federelemente unter Druck gegen die Röhren zu drücken.
In der Platte können Rinnen vorgesehen sein, um Halterungen zu bilden, die die Röhren aufnehmen.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung besteht die Platte aus einem Keramikmatrix-Verbundmaterial, und die Röhren bestehen aus einem metall-legierungsartigen Material, das hohen Temperaturen standhält.
Die Erfindung stellt auch eine Raketentriebwerkdüse bereit, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Wand eine Hochtemperatur-Wärmeaustauschervorrichtung, wie oben beschrieben, enthält.

Kurze Beschreibung der Figuren

Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung, als nicht einschränkende Beispiele gegeben, und beschrieben in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Hochtemperatur-Wärmeaustauschervorrichtung ist, welche eine Ausführung der Erfindung darstellt;
Fig. 1A eine Querschnittansicht einer Röhre mit einer Schicht mit Textilbindung mit hoher Wärmefähigkeit entsprechend der Erfindung ist;
Fig. 2 eine fragmentarische schematische Ansicht einer Röhre ist, die einen ersten Typ einer Schicht mit Textilbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine fragmentarische schematische Ansicht einer Röhre ist, welche einen zweiten Typ einer Schicht mit Textilbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Querschnittansicht entlang der Linie IV-IV durch die Hochtemperaturvorrichtung von Fig. 1 ist;
Fig. 5A bis 5D perspektivische Ansichten sind, welche verschiedene Ausführungen von Halteeinrichtungen der Röhren, die gegen die Platte gedrückt werden, zeigen;
Fig. 6A und 6B perspektivische Ansichten sind, die weitere Ausführungen der Röhren-Halteeinrichtungen zeigen;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Düse ist, die mit einer Wärmeaustauschervorrichtung der Erfindung ausgestattet ist; und
Fig. 8 eine Querschnittansicht in einem vergrößerten Maßstab durch den Ausschnitt VIII von Fig. 7 ist.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungen der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird insbesondere mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, welche eine Ausführung zeigt, die sich auf eine Platte bezieht, die durch Kühlflüssigkeitsstrom einer gekühlt wird. Dennoch ist die Erfindung nicht auf Strom einer Kühlflüssigkeit beschränkt. Daher kann sich der Fachmann leicht eine ähnliche Vorrichtung vorstellen, in der die Flüssigkeit, die in der Wand der Platte strömt, durch Wärmeaustausch mit der Platte erwärmt werden soll, da unter solchen Umständen sich nur die Art der Flüssigkeit ändert.
Fig. 1 zeigt eine Hochtemperaturvorrichtung 1, welche eine Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Struktur 1 weist ein Platte 4 auf, die so konstruiert ist, dass sie über ihre Außenseite 4A mit einer Wärmequelle in Kontakt kommt. Eine Vielzahl von Röhren 2 bildet einen Kühlkreislauf mit einer darin fließenden Kühlflüssigkeit, wobei diese Röhren auf der inneren Fläche 4B der Platte 4 plaziert sind. Die äußere Wand jeder Röhre 2 ist zumindest über die ganze Länge der Röhre, die sie gemeinsam mit der Platte 4 hat, mit einer Schicht mit Textilbindung 3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit bedeckt.
Wie aus Fig. 1 A ersichtlich, die ein Querschnitt durch die Röhre 2 in einem Abschnitt ist, der in Kontakt mit der Platte steht, ist jede Röhre 2 gänzlich von der Schicht 3 bedeckt, die daher eine Ummantelung mit der Dicke E₁ um die Röhre bildet.
Die Schicht 3 besteht aus einem Material mit Textilbindung, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist um zwischen den Röhren und der Platte nicht nur mechanischen Kontakt zu ermöglichen, derart, dass Unterschiede in der Ausdehnung zwischen den Materialien und andere mechanische Belastungen aufgenommen werden können, sondern auch eine effektive thermische Verbindung ermöglicht damit die Kühlflüssigkeit die maximale Wärmemenge von der Platte wegführen kann.
Die Schicht mit Textilbindung kann durch eine röhrenförmige Struktur erzeugt werden. Fig. 2 zeigt ein Beispiel, wie die Schicht in Form einer röhrenförmigen Flechtung 30 erzeugt werden kann. Die Flechtung 30 wird erzeugt durch Weben von hoch leitfähigen Filamenten 31, wie z. B. Fasern aus Kohlenstoff oder Kupfer. Die Verformbarkeit der Flechtung stellt sicher, dass ein guter Kontakt zwischen der Röhre und der Flechtung aufrecht erhalten wird. Außerdem kann eine derartige Flechtung industriell hergestellt werden, und sie kann auch in einem industriellen Prozess auf die Röhren aufgebracht werden, da es ausreicht, die Flechtung vor dem Zusammenbau mit der Platte auf eine Röhre aufzubringen. Alternativ könnte die röhrenförmige Struktur der Schicht mit Textilbindung erhalten werden durch Stricken oder wirken der der hoch-leitfähigen Filamente, so dass ein Strumpf gebildet wird, der anschließend auf die Röhre angepasst werden kann.
In einer anderen Ausführungsform, wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Schicht mit Textilbindung, die die Röhren bedeckt, aus einem Gewebeband 20 erhalten, welches spiralförmig um die Röhren gewickelt wird und welches an den Enden durch ein Klebemittel 21 fixiert wird. Das Band 20 kann aus einem gewebten Tuch, einem Satin, einem Filz, einem Samt oder in der Tat aus einem Tau oder Rovinggewebe bestehen.
Allgemein sind andere Materialien, wie z. B. Molybdän, Gold, Silber, . . . vorstellbar, um das Filament oder die Faser zu bilden, welche das hoch wärmeleitfähige Gewebe bildet.
Z. B. kann die Schicht 3 eine Schicht mit Textilbindung aufweisen mit einer Dicke in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm mit einem Fasergehalt größer als 30%, bestehend aus hoch leitfähigen Filamenten, wie z. B. Kohlenstofffasern aus einem Pech-Vorstufenmaterial, die bei sehr hohen Temperaturen behandelt wurden, oder Kupferfilamente, wahlweise vernickelt, um Probleme der Kupferoxidation zu begrenzen, und mit einem Oberflächenabdeckungsverhältnis von größer als 90%.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Schicht mit Textilbindung um die ganze Röhre herum vorhanden ist. Wegen der hohen Leitfähigkeit der Filamente, die die Schicht mit Textilbindung bilden, kann daher Wärme von der Platte um die ganze Röhre herum verteilt werden. Anders als bei der Lösung, die darin besteht, die Röhren an der Platte durch Löten oder Schweißen zu befestigen, dient die Erfindung dazu, die Wärme austauschende Fläche zwischen den Röhren und der Platte zu vergrößern, über die Kontaktfläche hinaus, welche zwischen ihnen existiert. Die Schicht mit Textilbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit dient dazu, die Temperatur der Röhrenwand einheitlicher zu machen, und ermöglicht daher eine effizientere Übertragung von Wärme auf die Kühlflüssigkeit, selbst wenn die Röhren aus einem Material bestehen, das nicht sehr leitfähig ist, wie z. B. hochschmelzende Legierungen. Dies ist besonders nützlich, wenn das Material, das für die Röhren gewählt wurde, im Gebrauch andere Bedingungen erfüllen muss, so wie z. B. hohe Temperaturbeständigkeit, niedrige Masse und leichte Verformbarkeit, was alles bedeutet, das Metallmaterialien mit hoher Leitfähigkeit ausgeschlossen werden müssen.
Bei Fig. 1 wiederum hat die Innenseite 4B der Platte 4 ebenfalls Rippen 5, die als Versteifungen für die Platte wirken. Die Röhren 2 laufen entlang der Innenseite 4B zwischen Paaren von aufeinander folgenden Rippen 5. Abhängig von dem Abstand, der zwischen zwei aufeinander folgenden Rippen gewählt wird, ist ein Raum definiert, der eine oder mehrere Röhren aufnimmt. Wie man in Fig. 4 sieht, kann der Abstand zwischen zwei Rippen bestimmt werden als Abstand 10, 11 oder 12, um eine, zwei oder drei Röhren entsprechend aufzunehmen. Außerdem können Rinnen 9 in der Platte 4 geformt werden, um die Röhren aufzunehmen. Daher kann die Hälfte jeder Röhre über die Schicht mit Textilbindung 3 in Kontakt mit der Platte sein.
Die Röhren, die in dieser Weise mit einer Schicht mit Textilbindung bedeckt sind, werden durch Halteeinrichtungen, die an Punkten entlang der Platte verteilt sind, in Kontakt mit der Wand der Platte gehalten. Die Funktion der Vorrichtung, die die Röhren in Position hält, ist es, sicherzustellen, dass die Anordnung zusammengehalten wird durch Einsatz von Kräften an verschiedenen Punkten, die dazu führen, daß die Röhren gegen die Platte gedrückt werden, was eine thermische Verbindung zwischen den Röhren und der Platte über die Schicht mit Textilbindung 3 garantiert.
Es ist offensichtlich, dass eine große Anzahl von Einrichtungen vorstellbar ist, die die Röhren auf diese Weise halten. Trotzdem muss die Einrichtung ausreichend flexibel oder elastisch sein, um eine relative Bewegung zwischen den Röhren und der Platte zu ermöglichen, um in der Lage zu sein, eine unterschiedliche Ausdehnung der Materialien aufzunehmen, die auftreten können, während die Vorrichtung der Erfindung in Verwendung ist. Es ist wichtig, dass die Kompressionskraft durch die Halteeinrichtung gegen die Röhren über den gesamten Bereich der Vorrichtung, der den erwarteten mechanischen und thermischen Veränderungen unterliegt, vermittelt wird, aber ohne Translationsbewegungen einer Röhre in ihrer Rinne zu verhindern. Weiterhin können die Röhren eine etwas andere Krümmung relativ zur Wand aufweisen, um den lokalen Aspekt auszugleichen, mit dem die tragende Kraft, die durch die oben beschriebenen Halteeinrichtungen erzeugt wird, übertragen wird. Während des Aufbaus werden die Röhren daher leicht gebogen, um die Kompressionskraft gleichmäßiger durch die Schicht mit Textilbindung zu verteilen.
In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform wird mechanischer Kontakt zwischen den Röhren und der Platte durch die Kabel 7 aufrecht erhalten, die senkrecht zu den Röhren verlaufen. Jedes Kabel 7 läuft durch die Öffnungen 6, die in jeder der Rippen 5 der Platte 4 ausgebildet sind. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Öffnungen 6 tiefer angebracht als die oberen Seiten der Röhren, so dass die Röhren gegen die Plätte gedrückt werden, wenn das Kabel 7 gespannt wird. Die Kabel 7 werden über ihre Enden durch Halteelemente 8, die auf jeder Seite der Platte angebracht sind, unter Spannung gehalten, z. B. durch gequetschte Pressklemmen des Typs, der in sog. "Sicherheitskabel"-Ausrüstungen, die üblicherweise in der Luftfahrt benutzt werden, verwendet wird. Andere Lösungen, wie z. B. Verbinden oder Verknoten der Kabelenden, könnten auch verwendet werden, um die Kabel unter Spannung zu halten. Wenn Pressklemmen verwendet werden, ist es vorzuziehen, dass die Pressklemmen aus Hochtemperaturlegierungen gemacht werden, um zu garantieren, dass die gequetschten Klemmen bei hohen Temperaturen richtig halten. In ähnlicher Weise ist es vorzuziehen, Kabel aus einem Material, deren Wärmeexpansionskoeffizient nicht größer ist als der des Plattenmaterials, zu verwenden, um sicherzustellen, dass die mechanische Spannung, die von den Kabeln auf die Röhren ausgeübt wird, bei hohen Temperaturen beibehalten wird. Zu diesem Zweck ist es möglich, Kohlenstoff- oder Keramikfaserkabel zu verwenden, wie sie üblicherweise als Nahtmaterialien verwendet werden, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Abgesehen von der einfachen Durchführbarkeit und der kompakten Eigenschaft hat diese Halteeinrichtung, die die Röhren durch ein Kabel anpresst, den Vorteil, dass sie - unabhängig von der Anzahl von Röhren pro Platte - effektiv ist. Sie bietet auch einen hohen Grad an Zugänglichkeit zur Platte, was es erlaubt, die Komponenten der Platte nicht-destruktiv und kostengünstig zu inspizieren. Mit einem Expansionskoeffizienten, der weniger oder gleich dem der Platte ist, bleiben die örtlichen Kräfte, die die Röhren halten und von den Kabeln 7 ausgeübt werden, im Wesentlichen konstant, wenn die Temperatur steigt. Dies stellt sicher, dass die Röhren weiterhin über einen großen Bereich von Betriebstemperaturen in der richtigen Position gehalten werden.
Fig. 5A bis 5D und 6A und 6B zeigen weitere Beispiele von Vorrichtungen, um die Röhren in Position zu halten.
Fig. 5A bis 5D zeigen eine Reihe von Halteeinrichtungen, welche aus Federelementen bestehen, die gegen die Rippen 5 drücken, um Kompressionskräfte auf die Röhren, die mit der Schicht mit Textilbindung der Erfindung ummantelt sind, auszuüben. Die Rippen 'müssen speziell für jedes Federelement bearbeitet werden, um sicherzustellen, dass die Federelemente den Druck auf die Röhren aufrecht erhalten. Die verschiedenen in Fig. 5A bis 5D gezeigten Federelemente sind aus dünnen hoch schmelzenden Metallblechen oder -blättern gemacht z. B. mit einer Dicke in einem Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm, die vor dem Einbau geformt werden. Das Metall ist ein hoch schmelzendes Metall, um sicherzustellen, dass es seine elastischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen beibehält. Das spezielle Material, das für das Federelement gewählt wird, hängt von den Nutzungsbedingungen ab, wie z. B. der Betriebstemperatur, der erwarteten Lebensdauer oder der chemischen Umgebung, die während des Gebrauchs vorhanden ist.
In Fig. 5A werden die Röhren durch Federelemente 40 in Position gehalten, die die Form eines auf dem Kopf stehenden Omega haben, dessen Ende in den Aufnahmen 26 gehalten werden, die in den Rippen 5 gebildet werden. Abhängig von der Anzahl von zwischen zwei Rippen befindlichen Röhren ist die Form jedes Federelements angepasst um sicherzustellen, dass eine Anpresskraft auf jede Röhre aufrecht erhalten wird.
Fig. 5B zeigt eine weitere Form eines Federelements, welches geeignet ist, einen Kontaktdruck zwischen den Röhren, der Schicht mit Textilbindung und der Platte auszuüben. In diesem Beispiel wird das Federelement 50 unter Druck gegen die Röhren gepresst gehalten, indem zwei gefaltete Abschnitte des Blatts von Vertiefungen 36 aufgenommen werden, die in den Rippen 5 der Platte ausgebildet sind. Fig. 5C zeigt ein Federelement 60 von Gestalt ähnlich dem in Fig. 5B Gezeigten, aber ebenfalls aufweisend einen elastischen Stützblock 62, z. B. aus expandiertem Grafit, um die Andruckelastizität zu vergrößern, während Vibrationsspannungen eingeschränkt werden. Löcher 51 und 61 können an den entsprechenden Enden 50 und 60 des Federelements angebracht werden, um ihre Installation mit einer Zange zu erleichtern.
Fig. 5D zeigt eine weitere Ausführung eines Federelements aus Blech. Das Federelement 70 hat die Form eines gebogenen Blatts mit Klappen, um den elastischen Stützblock 71 zu halten. Das Federelement 70 wird gegen die Röhren gepresst gehalten, indem seine Enden von Öffnungen 56 aufgenommen werden, die in den Rippen 5 ausgebildet sind.
Fig. 6A und 6B zeigen einen weiteren Typ von Federelement, der Metallstangen anstatt Metallblätter benutzt. In Fig. 6A weist ein Halteelement 80 zwei Stangen 81 und 82 auf, die eine Form aufweisen, die der Form des in Fig. 5A gezeigten Federelements nahe kommen. Die beiden Stangen 81 und 82 sind durch eine geradlinige Stange 83 verbunden. Die Funktion der Stange 83 dient dazu, zu verhindern, dass die Stangen 81 und 82 sich relativ zu ihrer Positionsachse verdrehen. Die Stangen 81 und 82 sind somit gehindert, sich einzeln zu drehen. Figur B zeigt eine Anordnung, in der an eine Haltestange 90 eine geradlinige Stange 91 angeschweißt ist. In diesem Fall wird das freie Ende der geradlinigen Stange 91 von einer Aufnahme aufgenommen, welche in der Platte zwischen zwei Röhren vorgesehen ist.
Die oben beschriebenen Federelemente erfüllen ihre Funktion, die Röhren an die Platte gepresst zu halten, durch elastische Verformung des Metalls, während sie in ihren Aufnahmen festgehalten werden. Daher ist es vorzuziehen, dass die Krümmungsradien, die sich durch die verschiedenen Formen der Federelemente ergeben, relativ groß sind, um ein Überschreiten der elastischen Grenze des Materials zu vermeiden.
Außerdem muss, anders als bei der oben beschriebenen Kabel-Halteeinrichtung, jede Serie von Federelementen nicht entlang derselben Linie angebracht werden. Das ermöglicht es, zu verhindern, dass zwei Elemente sich gegenseitig bei der Installation behindern, vor allem über die in den Rippen angebrachten Löcher.
Die oben beschriebenen Halteeinrichtungen, ob Kabel oder Federelemente, weisen eine kleine Masse und Größe auf, und diese Größen sind häufig vernachlässigbar, verglichen mit der Masse und Größe der Platte.
Außerdem müssen bei diesen Vorrichtungen die Öffnungen oder Aufnahmen, die in den Rippen gebildet werden, nicht sehr groß sein. Daher ist der Einfluss dieser Öffnungen auf die strukturelle 'Festigkeit der Platte minimal und in den meisten Fällen vernachlässigbar. Der Abstand zwischen zwei Halteeinrichtungen auf der Platte kann eingestellt werden in Abhängigkeit der gewünschten Haltekraft. Wenn das Festhalten durch Kabel ausgeführt wird, ist es möglich, eine Mehrzahl von Kabeln in einer einzelnen Serie von Öffnungen zu plazieren. Die Reibungskräfte in den Kabeln können kontrolliert werden, um zu vermeiden, dass die Rippen, welche am Ende der Platte liegen, einer exzessiven Verbiegung ausgesetzt sind.
Das Material, welches für die Platte verwendet wird, wird nach verschiedenen Kriterien gewählt, wie z. B. Gewicht, der Fähigkeit, bestimmten Temperaturen standzuhalten und der Fähigkeit, einem chemischen Angriff von der Wärmequelle standzuhalten.
Die Hochtemperaturvorrichtung der Erfindung kann insbesondere in einer kryogenen Raketentriebwerksdüse angewendet werden, welche eine Wand hat, die einen Verbrennungsstrahl bei hoher Temperatur aufnimmt und leitet. In dieser Art der Anwendung werden Hochtemperaturvorrichtungen der Erfindung verwendet, um die Wände der Düse zu bilden. Dis Platten der Vorrichtung werden aus einem keramischen Matrixverbundmaterial, wie z. B. C/SiC oder C/C, gemacht, und zusammen mit den Röhren können sie eine oder mehrere Krümmungsabschnitte darstellen.
Fig. 7 und 8 zeigen eine auf eine Raketendüse angewendete Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung. In Fig. 7 ist eine Düse 100 auf ihrer äußeren Wand mit einer Vorrichtung 101 bedeckt, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Mehrzahl von Röhren aufweist, die an einer Platte durch eine Reihe von Kabeln 107 in Position gehalten werden. Die Röhren können auch durch eine Reihe von Federelementen wie oben beschrieben in Position gehalten werden. Mit Bezug zur Detailansicht von Fig. 8 kann man genauer sehen, dass die Struktur 101 eine Platte 104 aufweist, welche anders als die Platte 4 von Fig. 1 in ihrer Form so gekrümmt ist, dass sie der Form der Wand 110 der Düse 100 entspricht. Die Röhren 102 sind paarweise zwischen jedem Paar von Versteifungen 105 in Rinnen 109 plaziert, die in die Platte 104 eingearbeitet sind. Der Flüssigkeitsstrom in den Röhren kann als Flüssigkeit zur Kühlung der Düsenwand verwendet werden. Die Flüssigkeit kann auch eine Flüssigkeit sein, welche erwärmt werden soll, indem sie mit der Düse in Kontakt gebracht wird.
In dieser Anwendung kann die Anzahl der Röhren pro Platte und die Länge der Röhren relativ groß sein (bis zu 500 3 m lange Röhren pro Platte). Die Röhren dienen zum Transport von Treibstoff, wie z. B. flüssigem Wasserstoff (fl. H₂). Der Teil der Düse, der aus der C/SiC-Vorrichtung der Erfindung gebildet ist, ist bei einer Wandtemperatur in Betrieb, die im Bereich von 1200°C bis 1800°C liegt, während die Röhren und die Schicht mit Textilbindung Temperaturen von ungefähr 800°C erreichen können. Außerdem muss das System mechanischen Belastungen standhalten, vor allem Vibrationen, und muss wahlweise wiederverwendbar sein.
In diesem Beispiel mit Platten aus Keramikmatrix-Verbundmaterial, wie z. B. C/SiC oder C/C, die gekühlt werden durch ein Kühlmittel, welches in der Wand der Platten über einen Kreislauf von Metallröhren aus Legierungen, die hohen Temperaturen standhalten, fließt, wurde berechnet, dass bei dem großen Wärmefluss, der durch die Platte aufgenommen wird, die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung zwischen den Röhren und der Platte größer sein muss als 5 kW/m²/K. Die thermische Verbindung zwischen den Röhren und der Platte, durchgeführt mit der Schicht mit Textilbindung in Verbindung mit den Halteeinrichtungen der Erfindung, ermöglicht es, die Leitfähigkeit zu überschreiten, während ein permanenter Kontakt sogar in Gegenwart mechanischer Belastungen garantiert wird.
Die oben beschriebene aktiv gekühlte Hochtemperaturvorrichtung kann auch in vielen anderen Anwendungen verwendet werden. Wegen ihrer Fähigkeit, Schocks und Vibrationen in der thermischen Verbindung, die durch die Vorrichtung der Erfindung bereitgestellt wird, zu tolerieren, kann die Vorrichtung insbesondere in geeigneter Weise in den Düsen und Brennkammern von Flugzeugtriebwerken und Raketentriebwerken verwendet werden. Sie kann auch in Gasturbinen oder Kernreaktoren verwendet werden.

Claims

1. Eine Hochtemperatur-Wärmeaustauschvorrichtung aufweisend eine Platte (4), welche ausgelegt ist einen Hochtemperatur-Wärmestrom über die eine Seite (4a) aufzunehmen kann, wobei die andere Seite (4b) der Platte eine Kühlanordnung hat, die aus einer oder mehreren Röhren (2), in denen eine Flüssigkeit fließt, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet dass die äußeren Wände der Röhren mit einer hoch wärmeleitfähigen Schicht mit Textilbindung (3) bedeckt sind und dass die genannte Vorrichtung weiterhin Halteeinrichtungen aufweist, um die Röhren auf eine nicht-starre Art und Weise gegen die Platte gedrückt zu halten, um eine thermische Verbindung zwischen den Röhren und der Platte zu erreichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit Textilbindung (3)aus Kupferfasern oder Kohlestofffasern gemacht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine röhrenförmige Struktur (30) darstellt die von geflochtenen Gewebefasern (31) gemacht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine röhrenförmige Struktur aus gestrickten Gewebefasern darstellt.

5. Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch ein Band (20) gebildet ist, das spiralförmig um die Röhren gewickelt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hoch wärmeleitfähige Schicht mit Textilbindung eine Dicke (E₁) hat, die im Bereich von 0,1 mm bis 0,4 mm liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hoch wärmeleitfähige Schicht mit Textilbindung (3) einen Faseranteil von über 30% und ein Oberflächenbedeckungsverhältnis von über 90% aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtungen ein oder mehrere Kabel (7) aufweisen, die gegen die Röhren unter Spannung gehalten werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabelmaterial einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner gleich dem des Plattenmaterials ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtungen mindestens ein oder mehrere Federelemente (40) aufweisen, die unter Druck gegen die Röhren festgehalten werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente ein Metallblatt (40; 50; 60; 70) aufweisen, welches geformt ist, um auf die Röhren eine Druckkraft auszuüben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Federelement außerdem einen elastischen Stützblock (62; 71) aufweist, der zwischen dem Federblatt (60; 70) und der betreffenden Röhre plaziert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Federelement mindestens eine Metallstange (81, 82; 90) aufweist, die geformt ist um eine Druckkraft auf die Röhren auszuüben.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren relativ zur Platte geringfügig anders gekrümmt sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte Rippen (5) zwischen einer oder mehreren Röhren angeordnet aufweist, wobei genannte Rippen Aufnahmen (26; 36; 46; 56) aufweisen, um die Federelemente mit Druck gegen die Röhren zu halten.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte Rinnen (9) hat, welche Aufnahmen für die Röhren (2) bilden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (4) aus einem Keramikmatrix-Verbundmaterial, z. B. C/SiC, C/C oder SiC/Si/C, gemacht ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren aus einem Metallmaterial des Typs gemacht sind, welcher eine Legierung aufweist die hohen Temperaturen standhält.

19. Eine Raketentriebwerkdüse (100), dadurch gekennzeichnet, dass ihre Wand (100) eine Hochtemperatur-Wärmeaustauschervorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 trägt.