DE1751411C3 - Use of refractory metals. with additions of oxygen-stabilizing elements as wall material for heat pipes - Google Patents
Use of refractory metals. with additions of oxygen-stabilizing elements as wall material for heat pipesInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von refraktären Metallen oder deren Legierungen, die Zusatzelemente für die Stabilisierung des Sauerstoffes enthalten, als Wandmaterial für mit Lithium als flüssiges metallisches Füllmittel betriebene Wärmerohre.The invention relates to the use of refractory metals or their alloys, the additional elements for the stabilization of the oxygen contained as a wall material for with lithium as a liquid metallic filler operated heat pipes.
Wärmerohre sind allseits hermetisch verschlossene Röhren mit einem aus eingearbeiteten Stegen bzw. Rillen auf der Innenwandung ausgebildeten Kapillarsystem, wobei die Röhren teilweise mit einem Füllmittel gefüllt sind. Heizt man ein Ende einer solchen Röhre auf, dann beginnt das Füllmittel in der Heizzone zu verdampfen, der Dampf strömt zu der entfernten Kühlzone und kondensiert dort, das Kondensat strömt im Kapillarsystem des Wärmerohrs zur Heizzone zurück. Das Füllmittel transportiert Wärme mit so geringem Temperaturabfall, daß die Temperatur des ganzen Wärmerohres praktisch als konstant angesehen werden kann.Heat pipes are hermetically sealed on all sides with a built-in web or groove formed on the inner wall capillary system, the tubes partially with a filler are filled. When one end of such a tube is heated, the filler begins to evaporate in the heating zone, the steam flows to the distant cooling zone and condenses there, the condensate flows in the capillary system of the heat pipe back to the heating zone. The filler transports heat with so little Temperature drop so that the temperature of the whole heat pipe can be regarded as practically constant can.
Häufig finden derartige Wärmerohre für die Ableitung und den Wärmetransport zum Emitter und für die Wärmeableitung vom Kollektor von thermionischen Energiewandlern Anwendung. Für das Zusammenwirken solcher Rohre mit den Emittern von thermionischen Konvertern sind Arbeitstemperaturen von ungefiihr 1400 bis 16000C erforderlich, die der Auswahl des Füllmittels und des Wandmaterials des Wärmerohres enge Grenzen setzen. Es ist bekannt, als Wandmaterialien refraktäre Metalle wie Niob, Zirconium, Molybdän, Wolfram, Tantal oder deren Legierungen, beispielsweise Niob mit 1 % Zirconium, Tantal mit 5% Wolfram, zu verwenden. Als flüssige, metallische Arbeitsmedien sind Wismut, Blei, Thallium, Barium und die Alkalimetalle bekannt. Die bekannten Wandmaterialien, wie Molybdän oder Wolfram, haben sich in vielen Fällen wegen zu großer Sprödigkeit als ungeeignet erwiesen. Bekannte Rohrwandungen aus Nioblegierungen mit 1% Zirconium oder auch aus Tantal, haben in Lithium betriebenen Wärmerohren nur eine unbefriedigende Lebensdauer von wenigen Tagen bis zum Durchbrennen. Der Sauerstoffgehalt des Waadmaterials von Hochtemperatur-Wärmerohren beeinflußt in ganz entscheidendem Maße den Korrosionsprozeß. Dieser beruht auf einem Herauslösen des Sauerstoffs aus dem Wandmaterial durch flüssiges Lithium, welches unter den Betriebsbedingungen an der innenwandung entlangläuft Das flüssige Lithium transportiert dabei den Sauerstoff in die Heizzone, wo er in Form von Oxiden des Lithiums und des Metalls des Wandmaterials abgelagert wird. Die Korrosion kann nur beherrscht werden, wenn das Rohrwandmaterial einen Sauerstoffanteil weniger als 1 ppm besitzt Solche Forderungen waren jedoch bisher im technischen Maßstab kaum zu erfüllen.Such heat pipes are often used for dissipating and transporting heat to the emitter and for dissipating heat from the collector of thermionic energy converters. Working temperatures for the interaction of such tubes connected to the emitters of thermionic converters of ungefiihr 1400-1600 0 C required, the set of selection of the filler and the wall material of the heat pipe narrow limits. It is known to use refractory metals such as niobium, zirconium, molybdenum, tungsten, tantalum or their alloys, for example niobium with 1% zirconium, tantalum with 5% tungsten, as wall materials. Bismuth, lead, thallium, barium and the alkali metals are known as liquid, metallic working media. The known wall materials, such as molybdenum or tungsten, have proven to be unsuitable in many cases because they are too brittle. Known pipe walls made of niobium alloys with 1% zirconium or also made of tantalum, in lithium-operated heat pipes only have an unsatisfactory service life of a few days until they burn through. The oxygen content of the Waad material in high-temperature heat pipes has a decisive influence on the corrosion process. This is based on the dissolution of oxygen from the wall material by liquid lithium, which runs along the inner wall under the operating conditions.The liquid lithium transports the oxygen into the heating zone, where it is deposited in the form of oxides of lithium and the metal of the wall material. Corrosion can only be controlled if the pipe wall material has an oxygen content of less than 1 ppm. However, up to now such requirements could hardly be met on an industrial scale.
Schließlich ist ein handelsübliches Tantal bekannt das geringe Gehalte an Yttrium aufweist (sogenanntes SGS-Tantal, d. h. ein kornstabilisiertes Tantal).Finally, a commercially available tantalum is known that has low levels of yttrium (so-called SGS tantalum, d. H. a grain-stabilized tantalum).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wandmaterial für die Verwendung in Lithium betriebenen Wärmeleitrohren anzugeben, das eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist.The invention is based on the object of providing a wall material for use in lithium-powered Specify heat pipes that have excellent corrosion resistance.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die Verwendung Sauerstoff stabilisierter Refraktärmetalle
vor; demgemäß besteht die Erfindung in der Verwendung von Refraktärmetallen oder deren Legierungen
mit Gehalten von 5 bis 500 ppm an Sauerstoff stabilisierenden Elementen als Wandmaterial für mit Lithium als
Füllmittel betriebene Wärmerohre.
Für die erfindunggemäße Verwendung als Wandmaterial in Lithium betriebenen Wärmerohren hat sich
beispielsweise Tantal bewährt, das mit Yttrium oder mit Metallen der Seltenen Erden, wie Cer oder Lanthan,
versetzt ist. Dabei weist das Tantal Gehalte an diesen Zusatzelementen zwischen 5 und 500 ppm auf.To achieve this object, the invention provides for the use of oxygen-stabilized refractory metals; Accordingly, the invention consists in the use of refractory metals or their alloys with contents of 5 to 500 ppm of oxygen-stabilizing elements as wall material for heat pipes operated with lithium as a filler.
For the use according to the invention as a wall material in lithium-operated heat pipes, tantalum, for example, to which yttrium or rare earth metals such as cerium or lanthanum has been added, has proven itself. The tantalum has contents of these additional elements between 5 and 500 ppm.
Aber auch Legierungen des Tantals, wie Taiital mit 5% Wolfram, die Zusätze an Sauerstoff stabilisierenden Elementen in Mengen von 5 bis 500 ppm enthalten, beispielsweise Yttrium oder Metalle der Seltenen Erden, eignen sich für die erfindungsgemäße Verwendung.But also alloys of tantalum, such as Taiital with 5% Tungsten containing additions of oxygen stabilizing elements in amounts of 5 to 500 ppm, for example Yttrium or rare earth metals are suitable for the use according to the invention.
Ferner können Niob oder dessen Legierungen, wie Niob mit 1% Zirconium, mit Zusätzen von 5 bis 500 ppm an Sauerstoff stabilisierenden Elementen als Wandmaterial gemäß der Erfindung eingesetzt werden. Die Verwendung von Refraktärmetallen mit Zusätzen von Sauerstoff stabilisierenden Elementen als Wandmaterial in Lithium betriebenen Wärmeleitrohren bringt erhebliche Vorteile mit sich. Diese Zusätze, wie Yttrium oder die Metalle der Seltenen Erden, verringern die Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs im Wandmaterial so weit, daß das durch den ständigen Verdampfungs-Kondensationszyklus extrem sauerstoffarme und dadurch eine hohe freie Bindungsenthalpie gegen Sauerstoff besitzende Lithium kein Sauerstoffangebot mehr erhält. Mit einem Wärmerohr aus Tantal mit 5 bis 100 ppm Yttrium wurden erfolgreiche Betriebsversuche bei 16000C über 1000 Stunden durchgeführt, ohne daß die Kapillarstruktur beeinträchtigt wurde. Dabei wurden Wärmeflußdichten in axialer Richtung von über 10 kW/cm2 festgestellt.Furthermore, niobium or its alloys, such as niobium with 1% zirconium, with additions of 5 to 500 ppm of oxygen-stabilizing elements, can be used as wall material according to the invention. The use of refractory metals with the addition of oxygen-stabilizing elements as wall material in lithium-powered heat conduction tubes has considerable advantages. These additives, such as yttrium or the rare earth metals, reduce the rate of diffusion of oxygen in the wall material to such an extent that the lithium, which is extremely low in oxygen due to the constant evaporation-condensation cycle and therefore has a high free enthalpy of binding to oxygen, no longer receives any oxygen supply. With a heat pipe made of tantalum with 5 to 100 ppm yttrium, successful operational tests were carried out at 1600 ° C. for 1000 hours without the capillary structure being impaired. Heat flux densities in the axial direction of over 10 kW / cm 2 were found.
Claims (3)
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