DE1942392C3

DE1942392C3 - Herstellen einer porösen Masse aus verbundenen Metallteilchen

Info

Publication number: DE1942392C3
Application number: DE1942392A
Authority: DE
Inventors: Emery Imre Riverdale N.Y. Valyi (V.St.A.)
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1968-08-23
Filing date: 1969-08-20
Publication date: 1975-01-02
Also published as: GB1225480A; US3539672A; FR2016242A1; CH550626A; JPS4927922B1; DE1942392B2; FR2016242B1; SE348660B; DE1942392A1

Description

Dem Stand der Technik zufolge ist es gebräuchlich, einzelne Metallteilchen miteinander für die verschiedensten Zwecke, insbesondere zur Verwendung in Wärmeaustauschern, zu einer porösen Masse zu verbinden, wie durch Weich- oder Hartlöten oder durch Oiffusionsbindung. Beispielsweise kann man die Teilchen unter Verwendung eines dünnen Films oder (Überzugs einer Hartlötlegierung miteinander hartverlöten. Die Hartlötlegierung wird im allgemeinen in pulvriger oder flockiger Form in einem Trägermaterial Verwendet. Auf die hart zu lötende Oberfläche wird ein dünnflüssiger Brei aus Trägermaterial und Hartlötlegierung aufgebracht und die überzogene Oberfläche die erforderliche Zeitdauer auf Hartlöttemperatur erhitzt.

Eine solche Arbeitsweise ist jedoch nicht allgemein anwendbar, insbesondere ergeben sich Schwierigkeiten bei bestimmten Legierungen, wie Messing, weil die für ein geeignetes Hartlöten von Messing anzuwendenden Temperaturen eine Verdampfung des im Messing enthaltenen Zinks verursachen können. Auch im Falle von Aluminiumlegierungcn sind soiche Verbundtechniken außerordentlich schwierig. Hart- und Weichlöten von Aluminium läßt sich nicht ohne Verwendung von Flußmitteln durchfuhren, die ätzend sind und restlos entfernt werden müssen, bevor das Erzeugnis für viele Anwendungsgebiete eingesetzt werden kann, was entweder zu kostspielig oder nicht vollständig durchführbar ist. Zusätzlich sind die beka. ..'^n Verfahren zum Herstellen einer porösen Masse .>..· verbundenen Metailteilchen häufig teuer und unvorteilhaft in der An-Wendung.

überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, daß sich die vorstehend erläuterten Schwierigkeiten durch eine Arbeitsweise überwinden lassen, welche sich keiner metallischen Bindetechnik bedient. Gleichwohl lassen sich poröse Massen aus verbundenen Metallteilchen herstellen, welchs sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Außerdem besteht der weitere wichtige Vorteil, daß die Metailteilchen aus beliebigen Legierungen bestehen können, insbesondere solchen, die sich mittels der bekannten metallischen Bindetechniken nicht verarbeiten lassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen

einer porösen Masse, aus verbundenen Metailteilchen, die durch ein hitzehärtbares und oder thermoplastisches Harz verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß man die zu verbindenden Metallteilchen mit einem hitzehärtbaren und oder thermoplastischen Harz in einer Dicke von 0.0025 bis 0,127 mm überzieht, wobei 2 bis 100 g Harz auf 454 g Metailteilchen kommen, daraus ein Gefüge durch Anordnung der überzogenen Teilchen in inniger Berührung formt, das Gefüge auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Harzes, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt und das Gefiige unter BiI-dung eines fest verbundenen Gefüges aus Metailteilchen, die mittels einer stundenglasartig geformten Harzmasse verbunden sind, abkühlt.

Bei einem hitzehärtbaren Harz wird das Erhitzen ausreichend lange durchgeführt, um das spezielle Harz zu härten. Bei einem thermoplastischen Harz wird das Erhitzen bis zum Schmelzen des Harzes durchgeführt, welches in der anschließenden Kühlstufe hart wird.

Wenn die überzogenen Metallteilchen in einem Gefüge angeordnet sind und über den Schmelzpunkt des Harzes erhitzt werden, fließt das überzugsmittel über die Oberfläche der Teilchen zum nächstliegenden Punkt des benachbarten Teilchens. Dadurch werden die Teilchen durch eine Stundenglas- oder venturirohrartig geformte Harzmasse miteinander verbunden.

Die erfindungsgemäß verwendeten Metallteilchen

können an sich eine beliebige Gestalt oder Form haben, vorzugsweise sind sie jedoch kugelig oder nahezu kugelig geformt. Die Größe der Metallteilchen ist nicht besonders kritisch, doch sollten die Teilchen vorzugsweise eine solche Größe besitzen, daß sie Siebe mit lichten Maschenweiten von 2,362 bis 0,147 mm passieren (Siebe mit 8 bis 100 Maschen). Bevorzugt ist außerdem die Verwendung von Aluminium, Kupfer, Eisen, Titan oder von auf diesen Metallen basierenden Legierungen und Graphit.

Bezüglich der verwendbaren Harze ist die Verwendung von hitzehärtbaren Harzen bevorzugt, insbesondere von Kondensationsprodukten aus Epichlorhydrin und Bisphenol-A, d. h. ganz allgemein von Epoxyharzen und Polyurethanharzen. Typische verwendbare thermoplastischen Harze sind Polyamide (Nylon) und Polyolefine. Die thermoplastischen Harze sollen ic-

doch nar für solche Anwendungsgebiete eingesetzt werden, wo die Erhitzungs- und Kühlmedien relativ niedrige Temperaturen aufweisen, da thermoplastische Materialien bei erhöhten Temperaturen zum Erweichen neigen.

Erfindungsgemäß wird das Harz auf die Metallteilchen in einer Dicke von 0,0025 bis 0,127 mm aufgetragen. Die Überzugsdicke ist insofern wichtig, da bei einem zu dicken überzug die Wärmeübertragungseigenschaften unzureichend sind und bei einem zu dünnen überzug der Zusammenhalt der porösen Masse schlecht ist.

Das bevorzugte Verfahren zur Aufbringung des Überzugs verläuft wie folgt: man löst das Harz in 2 bis 15 Gewichtsprozent eines hei Raumtemperatur flüchtigen Lösungsmittels wie Aceton oder Methylethylketon. Die Metallteilchen und die Harz-Lösungsmittel-Mischung werden innig vermischt. Das Verhältnis von Metallteilchen zu Harz kann in weiten Bereichen schwanken, so daß ein Harzüberzug von der gewünschten Dicke entsteht. Vorzugsweise werden hierbei ungefähr 5 bis 50 g Harz auf 454 g Metallteilchen verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Metallteilchen und die Harz-Lösungsmittel-Mischung in Trommeln bis zur Trockne innig vermischt. Hierzu benötigt man normalerweise 5 Minuten bis 2 Stunden. Bei der Trommelbehandlung verflüchtigt sich das Lösungsmittel und läßt einen Harzüberzug auf den Metallteilchen zurück. Die überzogenen Metallleilchen werden in inniger Berührung miteinander zu einem Gefüge oder einem festen Körper angeordnet.

Das Gefiige wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Harzes, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der Metallteilchen erhitzt.

Bei einer bevorzugten Aurfr.hrungsform, bei der hitzehärtbare Harze verwendet werden, wird das Harz durch die Wärmebehandlung gehärtet. Hierfür geeignete Temperaturen liegen zwischen etwa 37 und 260 C, die Erhitzungsdauer beträgt zweckmäßig wenigstens 30 Sekunden, vorzugsweise wenigstens 1 bis 30 Minuten.

Wenn thermoplastische Harze verwendet werden, liegen die Temperaturen im gleichen Bereich, wobei die bevorzugte Behandlungsdauer 30 Sekunden bis 5 Minuten beträgt.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur erhält man eine gut verbundene poröse Masse mit dem erwünschten Porositätsgrad. Daher kann in den Bereichen, in denen die Teilchen nicht miteinander verbunden sind, ohne weiteres Flüssigkeit zwischen den Teilchen fließen. Der Porositätsgrad kann durch Verfahrensunterschiede gesteuert werden.

Wie oben angegeben, weist die erfindungsgemäß hergestellte poröse Masse eine überraschende Wärmeaustauschwirksamkeit trotz der Tatsache auf. daß als Bindemittel ein Isoliermaterial verwendet wird.

Gewünschtenfalls kann zusätzliches Harz auf die äußere Oberfläche der porösen Masse aufgebracht werden, um den Verbund an dieser Stelle zu verfestigen.

Die erfindungsgemäß herstellbaren porösen Massen eignen sich insbesondere zur Verwendung als Wärmeaustauschergefüge: ein solcher Wärmeaustauscher besteht z. B. aus einer Lage der porösen Masse, aus einem nicht perforierten Blechmetalltcil. der an diese poröse Masse mittels des Harzes gebunden ist. aus einem die erste und die zweite Wärmeaustauschflüssigkeit trennenden Teil, in dem die Dicke und Lage der porösen Masse derart ist, daß beim Betrieb des /\ustauschers die durchfließende zweite Flüssigkeit auf allen Teilen ihres Strom weges in dem porösen Körper in wirksamer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Blechmetallteil und dadurch mit der ersten Flüssigkeit steht.

Beispiel 1

Handelsüblicher Reinaluminiumschrot mit einer Teilchengröße, die durch Siebe mit lichten Maschen-

weiten von unter 0,833 mm bis über etwa 0,5 mm geht, wird in einer Trommel mit einer flüssigen Lösung eines Epoxyharzes (Kondensationsprodukt aus Epichlorhydrin und Bisphenol-A) vermischt Es wird eine Epoxyharzlösung verwendet, bei der das Epoxyharz

in 8 Gewichtsprozent Aceton gelöst ist. Der Trommelinhalt wird so lange gewälzt, bis er annähernd frei fließend und lösungsmittelfrei ist. Man erhält so einen mit dem Epoxyharz überzogenen Aluminiumschrot. Es werden unterschiedliche Mengen an Epoxyharz

auf 454 g Schrot verwendet, wie die nachstehende Tabelle 1 zeigt.

Tabelle 1

Probe

A
B
C

Menge Epoxyharz auf
454 g Schrot

2,7 g
4.05 g
5,4 g
10.4 g

Beispiel 2

Untersuchungsproben werden in der folgenden Weise hergestellt: 10 g von jeder der vorgenannten Proben an überzogenem Schrot werden 30 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 176 C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die erhaltene Masse ist gut verbunden und porös, wobei die einzelnen Metalltcilchen dui"h eine Stundenglas- oder venturirohrartig geformte Harzmasse miteinander verbunden sind.

Beispiel 3

Die Proben A, B, C und D gemäß Beispiel 2 werden der folgenden Untersuchung unterworfen, um die Porosität oder Durchlässigkeit der Masse zu messen: jede Probe wird in einem Rohr von 15,24 cm Länge

und 27,78 mm Durchmesser derart angeordnet, daß

sie am Boden ein 12,7 mm hohes Diaphragma bildet.

Die Durchlässigkeit wird wie folgt festgestellt:

es wird die Zeit für den Durchgang von 100 cm³ Wasser durch das Diaphragma gemessen mit folgenden Ergebnissen:

	Tabellen	/.eil
Probe		12 Sekunden 1? Sekunden 12 Sekunden 14 Sekunden
A B C D

Es wird außerdem die Ausströmzeit für ein mit Wasser gefülltes Rohr gemessen, wobei das Wasser

durch das Diaphragma hindurchströmt, wenn man Rohr in ein mit Wasser gefülltes Becherglas eintaucht und dann schnell herausnimmt. Es wird die Zeitspanne vom Herausnehmen aus dem Becherglas bis zum Ende des Durchflusses gemessen. Das Gesamtvolumen Wasser in dem Rohr beträgt 84 cm³. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt.

	Tabelle III	Zeit
Probe		9 Sekunden 8 Sekunden 8 Sekunden 12 Sekunden
A B \_ D

Druck	Durchbiegung in '/„„„,mm	Probe A	Probe B	Probe C	Probe D
in kg		gebrochen	254	368	381
		838	483	546
45,4		gebrochen	584	686
90,7		bei 132 kg
136			610	749
			686	838
181			724	914
227			gebrochen	1016
272			bei 345 kg
318				1092
				1194
363				gebrochen
408				bei 424 kg

fester Aluminiumrohling derselben geometrischen Abmessungen, der in der gleichen Weise isoliert ist. Die Wärmeübertragungsabschnitte werden auf einer heißen Platte angeordnet, welche auf einer konstanten Temperatur von 182,22° C gehalten wird. Tabelle V zeigt die Wärmeübertragungsfähigkeit der einzelnen Proben, und zwar als die Zeit in Minuten, welche benötigt wird, damit das Kopfteil der einzelnen Probe eine gegebene Temperatur annimmt.

Tabelle V Beispiel 4

Die Proben werden Druckuntersuchungen unterzogen. Die Druckuntersuchungszylinder werden aus Aluminiumschrotproben mit einem Durchmesser von 2,54 cm und einer Höhe von 2,54 cm entsprechend den Angaben im Beispiel 2 hergestellt. Der Druck wird in einer hydraulischen Presse untersucht, wobei sowohl die Durchbiegung als auch der Druck gemessen werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

35

40

45

50 Beispiel 5

Wärmeübertragungsabschnitte werden aus den Proben A, B, C und D in der folgenden Weise hergestellt: die Abschnitte bestehen aus einem oberen und einem unteren Deckel aus handelsüblichem Reinaluminium von 31,75 mm Durchmesser und 31,75 mm Höhe sowie einem Innenzylinder aus der porösen Aluminiumschrotmasse gemäß Beispiel 2. Der poröse Innenzylinder hat einen Durchmesser von 25,4 mm und eine Höhe von 25,4 mm. Der obere Deckel hat in der Mitte ein Loch mit einem Durchmesser von 2,381 mm für ein Thermoelement. Ein Asbestband von 25,4 mm Breite wird ungefähr viermal um die Mitte des Abschnittes gewickelt. Dies ergibt eine isolierende Dicke von ungefahr 6,35 mm.

Die Proben A, B, C und D haben die im Beispiel I angegebene Zusammensetzung. Die Probe Ii isl ein

Zeit	Temperatur	A	Temperatur des	Probe ir	Knplicils	E
in	der hciUcn	37	der		1 C"	121
Min.	Platte in C	65		C		154
		65	B	37	D	171
0	182	79	37	65	37	176
4		82	60	65	65	176
6		93	65	65	71	182
10		93	74	65	87	182
13		99	87	93	93	182
16		107	93	93	93	182
20		115	93	99	93	182
25		99		104
30		107	107	112
35		107	115

Tabelle VI zeigt das Verhalten der Proben bei einer langsamen Erhöhung der Temperatur der heißen Platte.

Tabelle VI

Zeil in Min.	Temperatur der heißen Platte in C	A	Tempera der B	lur des Probe ir C	Kopfteil* 1 C D	E
0	26	26	26	26	26	26
2	37	37	37	37	37	37
3	51	37	37	37	37	37
5	79	37	37	37	37	51
10	160	51	43	51	60	149
13	176	65	65	65	71	165
16	182	79	79	79	87	176
19	182	87	87	87	93	182
30	182	104	104	107	107	182

Tabelle VII zeigt Ergebnisse bei einer langsamen Erhöhung der Temperatur der heißen Platte und vergleicht Probe C mit einem mit 10% Aluminium weichgelöteten Verbund unter Verwendung des gleichen Aluminiumschrots (Probe F) und mit Probe E.

Tabelle VII

Zeit	Temperatur	Temperatur des Kopftcils	C	26	Ii
in	der hei Hen	der Probe in C'	26	37	26
Min.	Platte in C		32	43 .	43
		37	60	79
0	37	37	99
5	90
8	126
Il	140

Fortsetzung

Zeit in Min.	Temperaiur der heißen Plane in C	Tempe de C	ralur des K r Probe in 1·	opflcils C Ii
14	143	43	65	115
17	146	43	65	121
25	146	43	76	121
3»	149	71	79	126
35	151	71	82	126
40	151	71	87	132

Die vorstehenden Untersuchungen zeigen, daß der Wärmeübertragungswert des harzgebundenen Schrots demjenigen weichgelöteten Schrots vergleichbar ist.

Beispiel 6

Wärmeübertragungsuntersuchungen werden an den folgenden Wärmeaustauschern vorgenommen: ein Kupfcrmantel mit einem Durchmesser von 50,8 mm wird mit neun flachovalen Rohren mit einer Höhe von 12,7 mm einer Weite von 2,24 mm und einer Wandstärke von 0,356 mm ausgefüllt. Die Rohre und der Mantel bestehen aus handelsüblichem Reinkupfer und haben eine Länge, von Kopfplatte zu Kopfplatte gemessen, von 10,16 cm.

Im Wärmeaustauscher G besteht der Kern aus handelsüblichem Reinkupferschrot einer Teilchengröße, die durch Siebe mit lichten Maschenweiten von unter 0,833 mm bis über etwa 0,5 mm geht, und zwar in Form einer gemäß Beispiel 2 hergestellten porösen Masse, welche fest mit dem Mantel und den Rohrwänden des Austauschers verbunden ist Als Wärmeaustauscher H verwendet man ein Rohr mit glatten Wänden und mit keiner sekundären vorspringenden Oberfläche. Der Wärmeaustauscher/ besteht aus runden Rohren mit der gleichen Innenoberflächc wie die flachen Rohre, welche fest damit verbundene Ansätze an der Oberfläche aber keine poröse Schrotmasse aufweisen. Wärmeaustauscher J weist die Rohre wie die Wärmeaustauscher G und H auf, doch ist der Kern mit üblichem Reinkupferschrot von einer Teilchengröße gefüllt, die durch Siebe mit lichten Maschenweiten von unter 0,833 mm bis über etwa 0,5 mm geht, wobei diese Teilchen miteinander und an die Mantclwand und an die Rohre mittels einer Phosphor-Kupfer-H artlötlegierung gebunden sind.

Die Wärmeaustauscher werden in der folgenden Weise geprüft: man läßt Wasser durch die Rohre selbst und öl quer durch die Zwischenräume zwischen den

■S Rohren strömen,und zwar jeweils in einem einzigen Durchgang. Das öl hat eine höhere Temperatur als das Wasser. Dann wird die Wärmeaustauschzahl bestimmt, basierend auf der inneren Oberfläche der Rohre. Die Werte sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Tabelle	Wärmeaustauscher	VIII
	Wärmciiuslausch/ithl in kcal/m² h f. bezogen auf die Rohrinnenober fliichc
G	(BTU/sq. ft h I)
H	2440 (500)
I	488 (100)
S	1074 (220)
	5368 (1100)

Die vorstehenden Angaben zeigen eindeutig, daß die eine erfindungsgemäß hergestellte harzgebundene poröse Masse enthaltenden Wärmeaustauscher überraschenderweise ausgezeichnet funktionieren, trotz der Tatsache, daß das den Schrot bindende Harz eher ein Isoliermaterial als ein leitiahiges Material darstellt.

tB) mn A-

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer porösen Masse aus verbundenen Metallteilchen, die durch ein hitzehärtbares und/oder thermoplastisches Harz verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu verbindenden Metallteilchen mit einem hitzehärtbaren und/oder thermoplastischen Harz in einer Dicke von 0,0025 bis 0,127 mm überzieht, wobei 2 bis 100 g Harz auf 454 g Metailteilchen kommen, daraus ein Gefiige durch Anordnung der überzogenen Teilchen in inniger Berührung formt, das Gefüge auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Harzes, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt und das Gefüge unter Bildung eines fest verbundenen Gefüges aus Metallteilchen, die mittels einer stundenglasartig geformten Harzmasse verbunden sind, abkühlt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungszeit wenigstens 30 Sekunden bei einer Temperatur von 37 bis 260' C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Metallteilchen mit solchen Abmessungen verwendet werden, daß sie Siebe mit lichten Maschenweiten von 2,362 bis 0.147 mm passieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das überziehen der Metallteilchen eine Harzlösung verwendet wird, die 2 bis 15 Gewichtsprozent eines flüchtigen Lösungsmitteis enthält.

5. Verwendung der gemäß Anspruch 1 bis 4 hergestellten porösen Masse aus verbundenen Metallteilchen als Wärmeaustauschergefüge.

6. Ausführungsform nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf den äußeren Oberflächen der porösen Masse eine zusätzliche Harzschicht befindet.