DE19717235B4

DE19717235B4 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohrs

Info

Publication number: DE19717235B4
Application number: DE19717235A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Henne; Doerte Dipl.-Ing. Laing; Heiko Thaler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: DE19717235A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohrs zum Transport von Wärme von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich, umfassend ein Gehäuse mit Gehäusewänden, eine in dem Gehäuse angeordnete und im Verdampfungsbereich sowie im Kondensationsbereich jeweils mit der entsprechenden Gehäusewand thermisch gekoppelte Kapillarstruktur, einen in dem Gehäuse angeordneten und vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich führenden Dampfkanal und ein Wärmetransportmedium, wobei die Kapillarstruktur aus Pulverpartikeln als offenporige Kapillarschicht hergestellt wird und die Pulverpartikel oberflächlich angeschmolzen werden, so dass sich in der Kapillarschicht eine im erstarrten Zustand die Pulverpartikel verbindende Schmelzschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur durch Hochfrequenz-Plasmaspritzen erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohrs zum Transport von Wärme von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich, umfassend ein Gehäuse mit Gehäusewänden, eine in dem Gehäuse angeordnete und im Verdampfungsbereich sowie im Kondensationsbereich jeweils mit der entsprechenden Gehäusewand thermisch gekoppelte Kapillarstruktur, einen in dem Gehäuse angeordneten und vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich führenden Dampfkanal und ein Wärmetransportmedium, wobei die Kapillarstruktur aus Pulverpartikeln als offenporige Kapillarschicht hergestellt wird und die Pulverpartikel oberflächlich angeschmolzen werden, so dass sich in der Kapillarschicht eine im erstarrten Zustand die Pulverpartikel verbindende Schmelzschicht bildet.

Derartige Wärmerohre sind aus der DE 33 01 794 A1 oder der DE 21 49 883 A bekannt. Bei diesen wird üblicherweise die Kapillarstruktur durch Pulverpartikel hergestellt, die oberflächlich beschichtet oder plattiert sind. Diese Beschichtung oder Plattierung wird dann durch Aufheizen der zur Bildung der Kapillarstruktur nebeneinanderliegenden Pulverpartikel erschmolzen und bildet dann eine die Pulverpartikel verbindende Schmelzschicht.

Dieses nachträgliche Erhitzen der nebeneinander zur Bildung der gewünschten Form der Kapillarstruktur positionierten Pulverpartikel muss in nichtoxidierender Umgebung oder in inerter Atmosphäre erfolgen und bereitet beim Herstellen der Wärmerohre Probleme.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohrs zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kapillarstruktur eine durch Hochfrequenz-Plasmaspritzen von Pulverpartikeln erzeugt wird.

Dabei werden durch das Hoffrequenz-Plasmaspritzen Pulverpartikel oberflächlich angeschmolzen, so dass sich in der Kapillarschicht eine sich über mehrere Pulverpartikel erstreckende Schmelzschicht ausbildet, welche im erstarrten Zustand die Pulverpartikel zusammenhält.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass das Hochfrequenz-Plasmaspritzen eine einfache Möglichkeit darstellt, schnell und mit hoher Leistungen offenporige Kapillarschichten aus Pulverpartikeln herzustellen, wobei sich die Porosität der Kapillarschicht durch geeignete Betriebsparameter beim Plasmaspritzen definiert einstellen lässt.

Der Vorteil des Hochfrequenz-Plasmaspritzens ist insbesondere darin zu sehen, daß ein Hochfrequenz-Plasmabrenner elektrodenlos arbeitet, so dass keinerlei Verunreinigungen durch Elektrodenabbrand auftreten können. Ferner bietet ein Hochfrequenz-Plasmabrenner den Vorteil, dass ein relativ voluminöses Plasma durch die Hochfrequenzeinkopplung erfolgt und somit ein großer Aufschmelzbereich zur Verfügung steht, um insbesondere auch große Partikel anzuschmelzen, was bei der erfindungsgemäßen Lösung erforderlich ist, wenn eine offenporige Kapillarschicht hergestellt werden soll.

Ferner hat das Hochfrequenz-Plasmaspritzen den Vorteil, daß die Plasmaströmungs- und auch die Pulverpartikelgeschwindigkeiten im Vergleich zum DC-Plasmaspritzen niedrig sind, so dass eine relativ lange Verweilzeit der Pulverpartikel im heißen Plasmabereich erreichbar ist, die sich ebenfalls beim Anschmelzen großer Partikel vorteilhaft auswirkt.

Darüber hinaus hat das Hochfrequenz-Plasmaspritzen neben der Effizienz und der Schnelligkeit den großen Vorteil, dass sich durch das Einstellen der einzelnen Parameter des Hochfrequenz-Plasmabrenners eine definierte Porosität der Kapillarschicht, insbesondere eine definierte mittlere Porengröße einstellen lässt.

Eine erfindungsgemäß hergestellte Struktur der Kapillarschicht liegt dann vor, wenn diese durch oberflächliches Anschmelzen und die dabei sich bildende und über benachbarte Pulverpartikel verlaufende Schmelzschicht miteinander verbundende Pulverpartikel aufweist. Das heißt, dass die Pulverpartikel lediglich dadurch miteinander zu einer festen Schicht verbunden werden, dass sie oberflächlich angeschmolzen sind und eine sich zumindest über einen Teil ihrer Oberfläche erstreckende Schmelzschicht tragen, die wiederum dafür sorgt, dass mit der Schmelzschicht von benachbarten Pulverpartikeln eine Art teilweiser "Überzug" für benachbarte Pulverpartikel entsteht und dieser "Überzug" die Pulverpartikel dann in der Kapillarschicht selbst zusammenhält.

Besonders günstig ist es hierbei, wenn das Plasmaspritzen derart durchgeführt wird, dass die Pulverpartikel unterhalb der Schmelzschicht eine Kristallstruktur aufweisen, welche der der Pulverpartikel vor dem Plasmaspritzen entspricht.

Somit weisen die Pulverpartikel in der Kapillarschicht jeweils unterhalb der Schmelzschicht eine gegenüber dem Zustand vor dem Plasmaspritzen unveränderte Kristallstruktur auf. Diese Lösung hat den großen Vorteil, dass die Kristallstruktur in den Pulverpartikeln mit Ausnahme der Schmelzschicht keinerlei Veränderung erfährt und somit auch die Bildung von unerwünschten Strukturen oder Verbindungen unterbleibt, so dass derartige Kapillarschichten eine hohe Lebensdauer bei gleichzeitig auch hoher mechanischer Stabilität aufweisen.

Grundsätzlich eröffnet das Hochfrequenz-Plasmaspritzen die Möglichkeit Pulverpartikel mit über ihrem Querschnitt im wesentlichen homogener Materialzusammensetzung zu verwenden, da sich mit geeigneten Parametern der Umfang des oberflächlichen Anschmelzens der Pulverpartikel einstellen lässt.

Die Kapillarschicht kann dabei aus den unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die Kapillarschicht aus Pulverpartikeln aus metallischem Ausgangsmaterial hergestellt wird, wobei hier nicht nur reine Metalle, sondern jede Art von Legierungen eingesetzt werden kann. Beispielsweise können hierbei für Hochtemperaturanwendungen, vorzugsweise von über 1000° Celsius, refraktäre Metall oder Nickel oder Nickelbasislegierungen eingesetzt werden, während beispielsweise im Raumtemperaturbereich Messing, Bronze oder Aluminium eingesetzt werden können.

Alternativ dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kapillarschicht aus Pulverpartikeln aus keramischem Ausgangsmaterial hergestellt wird, wobei jede Art von keramischen Materialien verwendet werden kann

Eine wichtige Randbedingung bei allen Materialien für die Herstellung der Kapillarschicht ist die, dass diese gegenüber dem jeweiligen Wärmeträgermedium inert sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ein Verbund aus oberflächlich angeschmolzenen Pulverpartikeln beispielsweise dadurch realisieren, dass zum Plasmaspritzen materialhomogen aufgebaute Pulverpartikel verwendet werden, wobei beim Plasmaspritzen ein Umfang oder Grad des Anschmelzens der Partikel durch Einstellung der Parameter definiert werden kann.

Alternativ dazu ist vorgesehen, dass zum Plasmaspritzen Pulverpartikel verwendet werden, die ein in der Kapillarschicht die Schmelzschicht bildendes Material und ein einen Kern der verbleibenden Pulverpartikel in der Kapillarschicht bildendes Material aufweisen und dass dass anschmelzbare Material einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb dem Schmelzpunkt des Material des Kerns der Pulverpartikel liegt.

In diesem Fall sind zweckmäßigerweise die Pulverpartikel als über einem Durchmesser von innen nach außen einen variierenden Schmelzpunkt aufweisende Partikel aufgebaut, wobei der Schmelzpunkt vorzugsweise von innen nach außen abnimmt. Im einfachsten Fall sind die Partikel hierbei aus einem Kern und einer Schale aufgebaut oder auch als mehrschalige Partikel, beispielsweise mindestens zweischalige Partikel, ausgebildet, wobei Kern und Schale oder die mehreren Schalen aus Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten aufgebaut sind, vorzugsweise so, dass der Schmelzpunkt einer äußeren Schale niedriger liegt als der einer der inneren Schalen oder des Kerns, wobei vorzugsweise die Schmelzpunkte stufenweise von innen nach außen abnehmen.

Damit besteht die Möglichkeit beim Plasmaspritzen beispielsweise nur die äußerste Schale aufzuschmelzen, deren Material dann zur Verfügung steht, um einen stabilen Verbund zwischen den einzelnen Partikeln zu gewährleisten, während der Kernbereich unaufgeschmolzen bleibt und somit die Entstehung der porösen Schicht mit der gewünschten Porengröße gewährleistet.

Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele wurde die Porengröße nicht näher definiert. So ist bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass die Kapillarschicht mit Poren mit einer mittleren Größe hergestellt wird, die im Bereich zwischen ungefähr 10 μm und ungefähr 1000 μm liegt. Noch vorteilhafter sind Ausbildungen einer Kapillarschicht, bei welcher die Poren in einer mittleren Größe hergestellt werden, die im Bereich zwischen ungefähr 50 μm bis einige Hundert μm, vorzugsweise bis ungefähr 300 μm, liegt.

Im Rahmen der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde die Größe der Pulverpartikel nicht näher definiert. So sehen besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele vor, dass als Pulverpartikel solche mit einer mittleren Partikelgröße verwendet werden, die im Bereich von ungefähr 30 μm bis ungefähr 300 μm liegt. Noch vorteilhafter ist es, wenn Pulverpartikel mit einer mittleren Partikelgröße verwendet werden, die im Bereich von ungefähr 50 μm bis ungefähr 200 μm liegt.

Die Porengröße könnte, wenn eine mittlere Porengröße eingehalten wird, erheblichen Schwankungen um diese mittlere Porengröße unterliegen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, insbesondere um eine definierbare Wirkung der Kapillarschicht zu erhalten, wenn in einem eine bestimmte mittlere Porengröße aufweisenden Volumenbereich der kleinste Wert und der größte Wert der Porengröße sich maximal um einen Faktor von ungefähr zwei unterscheiden, das heißt z.B. der kleinste Wert maximal ungefähr die Hälfte des größten Wertes beträgt.

Rein prinzipiell wäre es denkbar, die Kapillarschicht unmittelbar auf einem für diese vorgesehenen Träger, beispielsweise einer Gehäusewand, aufzutragen. Aus Gründen der mechanischen Stabilität und des guten Wärmekontakts sieht eine besonders zweckmäßige Lösung vor, dass vor einem Auftragen der Kapillarschicht auf einem Träger für diese eine Haftschicht mittels Plasmaspritzen aufgetragen wird.

Das ohnehin für die Herstellung der Kapillarschicht verwendete Plasmaspritzen macht es nun in besonders einfacher Art und Weise möglich, vor einem Auftragen der Kapillarschicht auf dem Träger für diese eine Haftschicht mittels Plasmaspritzen aufzutragen. Eine derartige Haftschicht hat den Vorteil, dass einerseits ein guter mechanischer Kontakt zwischen der Kapillarschicht und dem Träger entsteht und andererseits auch ein guter thermischer Kontakt, so daß eine hohe mechanische und dauerfeste Verbindung zwischen der Kapillarschicht und dem Träger erhältlich ist.

Die Haftschicht kann prinzipiell aus einem Material sein, das sich von dem Material der Kapillarschicht unterscheidet. Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, daß die Haftschicht aus demselben Pulvermaterial wie die Kapillarschicht hergestellt wird.

Auch hinsichtlich der Porosität sind an die Haftschicht andere Anforderungen zu stellen. Die Haftschicht kann als poröse Schicht ausgebildet sein, sie muss jedoch nicht notwendigerweise als poröse Schicht ausgebildet sein.

So ist es besonders vorteilhaft, wenn die Haftschicht beispielsweise als durchgehende Schicht hergestellt wird und somit noch eine zusätzliche Schutzschicht zwischen dem Gehäuse und der Kapillarschicht bildet und somit auch noch das Material des Gehäuses gegen Reaktionen mit dem Wärmeträgermedium schützt, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Wärmerohre bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Andererseits erlaubt, die Haftschicht für das Gehäuse Materialien zu verwenden, die bei direktem Kontakt zwischen Gehäuse und Wärmeträgermedium, beispielsweise aufgrund von Korrosionseffekten oder anderen chemischen Reaktionen, nicht verwendbar wären.

Eine vorteilhafte Lösung sieht dabei vor, daß die Haftschicht mit einer Dicke von mehr als ungefähr 10 μm hergestellt wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Haftschicht aus Pulverpartikeln mit einer mittleren Größe hergestellt wird, die im Bereich zwischen ungefähr 5 μm und ungefähr 50 μm liegt.

Um die gewünschte Wirkung, insbesondere die Transportwirkung, der Kapillarschicht im Wärmerohr zu verbessern, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Kapillarschicht mit einer sich in einer vorgegebenen Richtung ändernden mittleren Porengröße hergestellt wird, wobei sich die Porengröße entweder in Stufen ändern kann, oder noch besser eine kontinuierliche Änderung vorgesehen ist.

Eine Möglichkeit der Nutzung einer variierenden Porengröße sieht vor, dass die Porengröße im Kondensationsbereich größer ist als im Verdampfungsbereich und von dem Kondensationsbereich zu dem Verdampfungsbereich hin kontinuierlich kleiner wird.

Eine weitere Möglichkeit der Nutzung einer variierenden Porengröße sieht vor, dass die Porengröße der Kapillarschicht von einer Gehäuseseite in Richtung einer Dampfkanalseite kleiner wird, um einerseits auf der Gehäuseseite geringe Strömungsverluste zu haben und auf der Dampfkanalseite der Kapillarschicht eine hohe Kapillarkraft zu erhalten.

Prinzipiell wäre es möglich, bei Einsatz einer Haftschicht auf diese unmittelbar die Kapillarschicht mit einer definierten mittleren Porengröße aufzutragen. Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass die Kapillarschicht von der Haftschicht ausgehend zunehmend kleiner werdende Poren aufweist. Das heißt, daß die Kapillarschicht hinsichtlich ihrer Porosität ausgehend von der Haftschicht einen Gradient zu immer kleineren Poren aufweist, so dass die größten Poren der Kapillarschicht nahe der Haftschicht liegen und die feinsten Poren in einem dem Dampfkanal zugewandten Bereich der Kapillarschicht.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel betreffend die Herstellung eines Wärmerohrs sieht vor, dass die Kapillarschicht als Teil eines Einsatzes hergestellt und dann in das Gehäuse eingesetzt wird.

Ein derartiger Einsatz lässt sich außerhalb des Gehäuses durch das erfindungsgemäße Plasmaspritzen einfach herstellen und dann in vorteilhafterweise in das Gehäuse des Wärmerohrs einsetzen und mit diesem in Verbindung bringen.

Eine alternative Lösung hierzu sieht vor, dass das die Kapillarstruktur umfassende Gehäuse aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt wird und dass indestens eines der Teile auf einer Innenseite mit der Kapillarschicht versehen wird, wobei im einfachsten Fall dieses eine Teil oder beide Teile innenbeschichtet sind.

Ein derartiges Teil läßt sich in besonders einfacher Weise durch direktes Beschichten des Teils auf der Innenseite mit der Kapillarschicht herstellen.

Die Teile sind vorzugsweise durch Fügen, insbesondere Schweißen, miteinander verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders dazu, eine Kapillarschicht mit einer sich in einer vorgegebenen Richtung ändernden mittleren Porengröße herzustellen, um damit – wie bereits beschrieben – die Wirkung der Kapillarschicht im Wärmerohr zu verbessern.

Bei Verwendung einer Haftschicht hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kapillarschicht von der Haftschicht ausgehend mit zunehmend kleiner werdender mittlerer Porengröße hergestellt wird und somit ein Gradient innerhalb der Kapillarschicht hergestellt wird, der mit keinem anderen Verfahren einfacher und effizienter hergestellt werden kann als mit Plasmaspritzen, da – wie bereits ausgeführt – die Porengröße durch Variation der Betriebsparameter beim Plasmaspritzen einstellbar ist.

Hinsichtlich der Herstellung des Wärmerohrs selbst wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Kapillarschicht als Teil eines Einsatzes hergestellt und dann in das Gehäuse eingesetzt wird.

Eine derartige, Teil eines Einsatzes bildende Kapillarschicht lässt sich beispielsweise in einfacher Weise dadurch herstellen, dass die Kapillarschicht durch Plasmaspritzen auf einen mit Trennmittel versehenen Formkörper aufgetragen und nach Erstarren zum Einsetzen in das Gehäuse von diesem abgenommen wird. Damit ist in einfacher Weise durch das thermische Plasmaspritzen eine einen Formkörper darstellende Kapillarschicht herstellbar.

Eine Alternative zu der vorstehend beschriebenen Variante zur Herstellung eines Wärmerohrs sieht vor, dass das die Kapillarstruktur umfassende Gehäuse aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt wird, von denen mindestens eines auf seiner Innenseite mit der Kapillarschicht versehen, im einfachsten Fall innenbeschichtet, wird. Die zwei Teile des Gehäuses lassen sich dabei in einfacher Weise durch jede Art von Fügen, beispielsweise Schweißen miteinander zu einem geschlossenen Gehäuse verbinden.

Im Zusammenhang mit den bislang beschrieben Verfahren zur Herstellung der Wärmerohre wurde nicht darauf eingegangen, wie die Dampfkanäle hergestellt werden. Beispielsweise ist es denkbar, die Kapillarschicht rohrförmig auszubilden, so dass sie automatisch einen im Innern des Rohrs liegenden Dampfkanal umschließt.

Bei komplexeren konstruktiven Lösungen, beispielsweise bei koaxialen Wärmerohren ist jedoch vorzugsweise die Kapillarschicht gesondert mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Dampfkanälen zu versehen.

So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die Kapillarschicht durch teilweises Abtragen derselben mit einem Dampfkanal versehen wird.

Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, die Kapillarschicht durch Einsetzen einer Maske beim Plasmaspritzen mit einem Dampfkanal zu versehen.

Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass die Kapillarschicht durch Umspritzen eines herauslösbaren Körpers mit einem Dampfkanal versehen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau eines in Längsrichtung aufgebrochenen Wärmerohrs;
2 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs;
3 einen Schnitt längs Linie 3-3 durch das Wärmerohr gemäß 2;
4 eine schematische Darstellung der Herstellung einer erfindungsgemäßen Kapillarschicht mittels eines HF-Plasmabrenners;
5 eine schematisch dargestellte mikroskopische Struktur im Querschnitt durch die erfindungsgemäß hergestellte Kapillarschicht;
6 eine schematische Darstellung eines Pulverpartikels aus unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisendem Material;
7 eine schematisch dargestellt mikroskopische Struktur ähnlich 5 bei Verwendung von Pulverpartikeln gemäß 6;
8 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Einsatzes umfassend eine erfindungsgemäße Kapillarschicht;
9 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs;
10 eine Darstellung einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels;
11 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs im Querschnitt;
12 einen Schnitt längs Linie 12-12 in 11;
13 einen halbseitigen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs;
14 einen Schnitt längs Linie 14-14 in 13;
15 eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Kapillarschicht mit Arterien des vierten Ausführungsbeispiels;
16 einen halbseitigen Querschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs und
17 einen Schnitt längs Linie 17-17 in 16.
Ein in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnetes Wärmerohr umfasst ein Gehäuse 12, beispielsweise ausgebildet als langgestreckter Zylinder, mit Zylinderwänden 14 und Abschlusswänden 16 und 18. In dem geschlossenen Gehäuse 12 ist eine als Ganzes mit 20 bezeichnete Kapillarstruktur vorgesehen, welche zumindest in einem Verdampfungsbereich 22 und in einem Kondensationsbereich 24 mit einem entsprechenden Gehäusebereich 26 bzw. 28 in gutem Wärmekontakt verbunden ist.
Die Zufuhr von Wärme zu dem den Verdampfungsbereich 22 umgebenden Gehäusebereich 26 führt zum Verdampfen eines von der Kapillarstruktur 20 im Verdampfungsbereich 22 durch Kapillarkräfte gehaltenen Wärmeträgermediums unter Ausbildung eines Dampfstroms 30, welcher in einem von der Kapillarstruktur 20 umschlossenen Dampfkanal 32 zum Kondensationsbereich 24 strömt und dort unter Abgabe von Wärme an den den Kondensationsbereich 24 umgebenden Gehäusebereich 28 wieder in der Kapillarstruktur 20 auskondensiert. Die Kapillarstruktur 20 ist nunmehr in der Lage, durch Kapillarkräfte das kondensierende Wärmeträgermedium zum Verdampfungsbereich 22 zu transportieren.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmerohrs, dargestellt in 2 und 3, ist die Kapillarstruktur 20 durch einen Einsatz 40 gebildet, welcher in das Gehäuse 12 derart eingesetzt ist, dass eine Außenseite 42 des Einsatzes an einer Innenseite 44 der Zylinderwände 14 in Wärmekontakt anliegt.
Ferner sind die Abschlusswände 16 und 18 auf ihrer Innenseite ebenfalls mit einer Kapillarstruktur 46 bzw. 48 versehen, welche bei endseitig auf die Zylinderwände 14 aufgesetzten Abschlusswänden 16 und 18 in Kontakt mit der Kapillarstruktur 20 des Einsatzes 14 steht, so dass eine Kapillarwirkung auch über die Kapillarstrukturen 46 und 48 mit dem Einsatz 40 gegeben ist.
Sowohl die Kapillarstruktur des Einsatzes 40 als auch die Kapillarstrukturen 46 und 48 sind in Form einer Kapillarschicht 50 durch thermisches Hochfrequenzplasmaspritzen mittels eines Hochfrequenzplasmabrenners 60, dargestellt in 4 hergestellt.
Der Hochfrequenzplasmabrenner 60 umfasst einen Gasverteilerkopf 62, welcher von einem Pulverzuführrohr 64 durchsetzt ist. Durch das Pulverzuführrohr wird ein Strom 66 aus Pulverpartikeln und einem Trägergas zugeführt.
Das Pulverzuführrohr 64 ist umgeben von einem vom Gasverteilerkopf 62 umfassten Zwischenrohr 68 durch welches ein Strom 70 von Zentralgas zur Bildung des Plasmas und zur Stabilisierung der Entladung zugeführt wird.
Ferner wird zwischen dem Zwischenrohr 68 und einem Außenrohr 72 ein Strom 74 von Schutzgas zugeführt, welcher eine Innenseite 76 des Außenrohrs 72 kühlt.
Das Außenrohr 72 ist ferner im Bereich einer Mündungsöffnung 78 des Pulverzufuhrrohrs von einer HF-Spule 80 umgeben, welche an einen HF-Generator angeschlossen ist. Durch diese HF-Spule 80 erfolgt eine Einkopplung von Hochfrequenz zur Erzeugung eines Plasmazylinders im Bereich der Mündungsöffnung 78 des Pulverzufuhrrohrs 64, wobei aufgrund des Skineffekts in dem Strom 70 des Zentralgases zur Bildung des Plasmas nur in einer äußeren Schicht desselben eine Energieeinkopplung aufgrund von induzierten Wirbelströmen erfolgt. Die Frequenz, bei welcher die HF-Spule 80 gespeist wird liegt dabei im Bereich von ungefähr 100 kHz bis einige MHz, wobei bei üblicher Geometrie Plasmatemperaturen um 10 000 K erreicht werden.
Stromabwärts der HF-Spule 80 ist dann noch eine Ausgangsdüse 82 des HF-Plasmabrenners 60 vorgesehen, welche nur schematisch angedeutet ist, und dazu dient, eine Druckeinstellung zwischen einem von der HF-Spule umgebenden Brennerinnenraum 84 und einem Freistrahlbereich 86 eines sich ausbildenden Plasmastrahls 88 vorzunehmen.
Mit einem derartigen HF-Plasmabrenner 60 lassen sich elektrodenlos, und somit unter Vermeidung von Verunreinigungen auch relativ große Partikel aufschmelzen, wobei das relativ voluminöse Plasma im Brennerinnenraum 84 und die relativ lange Partikelverweilzeit in dem heißen Plasmabereich die Aufschmelzung von Pulverpartikeln in einer Größe von mehreren 100 μm begünstigen.
Eine mit einem derartigen HF-Plasmabrenner 60 hergestellte Kapillarschicht 50 weist, wie in 5 dargestellt, eine Vielzahl von Pulverpartikeln 100 auf, welche mit einer Schmelzschicht 102 überzogen sind, wobei die Schmelzschicht 102 die jeweiligen Pulverpartikel 100 zumindest in Teilbereichen ihrer Oberfläche umgibt und sich außerdem nicht über ein Pulverpartikel 100 sondern zumindest auch über ein weiteres benachbartes Pulverpartikel 100 erstreckt und somit einen zumindest teilweisen oberflächlichen Überzug über die Pulverpartikel 100 bildet, der diese zusammenhält, so dass sich zwischen den Pulverpartikeln 100, teilweise überzogen mit den Schmelzschichten 102, Poren 104 vorzugsweise um weniger als einen Faktor zwei variierender Größe bilden, und somit insgesamt die Kapillarschicht 50 entsteht, die eine offenporige Struktur aufweist und somit als Kapillarstruktur zu dienen in der Lage ist.
Mit dem erfindungsgemäßen thermischen HF-Plasmaspritzen ist es besonders vorteilhaft möglich, einerseits die Pulverpartikel oberflächlich anzuschmelzen und damit aus demselben Material, aus welchem die Pulverpartikel 100 selbst aufgebaut sind, die äußere Schmelzschicht 102 zu schaffen, welche in der Lage ist, in der Kapillarschicht 50 die Pulverpartikel 100 miteinander zu verbinden. Andererseits bleiben die Pulverpartikel 100 selbst erhalten und weisen mit Ausnahme ihrer Schmelzschicht 102 eine gegenüber vor dem Plasmaspritzen unveränderte Kristallstruktur auf.
Ferner ist der Vorteil beim thermischen HF-Plasmaspritzen darin zu sehen, dass die Schmelzschicht 102 nur im Millisekundenbereich im schmelzflüssigen Zustand ist und dann in der Kapillarschicht 50 selbst schnell aufgrund des Abkühlens in die Erstarrung übergeht, so dass keinerlei Gefahr einer Verzunderung besteht. Ferner wird damit auch die Gefahr chemischer Reaktionen und Diffusionen und somit die Bildung nachteiliger Phasen und Grobstrukturen verhindert.
Schließlich lässt sich die Porosität über die Größe der Pulverpartikel und den Grad des oberflächlichen Anschmelzens derselben je nach Anwendungsfall einstellen.
Die Porosität und die Kapillarstruktur der Kapillarschicht lässt sich insbesondere über die Brennerbetriebsparameter, wie Menge des Zentralgases und Zusammensetzung desselben, eingekoppelte HF-Leistung, Druck im Brennerinnenraum 84 des HF-Plasmabrenners 60, und im Freistrahlbereich 86 des Plasmastrahls 88, dem Abstand zwischen aufzubauender Kapillarschicht 50 und der Austrittsdüse und die Größe der Pulverpartikel, die mit dem Strom 66 zugeführt werden, einstellen.
Somit lassen sich großflächige Kapillarschichten mit definiertem Aufbau und gleichmäßiger Qualität einerseits schnell und andererseits endkonturnah herstellen.
Noch vorteilhafter lässt sich eine erfindungsgemäße Kapillarschicht dann herstellen, wenn die Pulverpartikel 100' aus einem Kern 101a und einer Schale 101b aufgebaut sind (6), wobei die Schale 101b aus einem Material ist, dessen Schmelzpunkt niedriger liegt als der des Kerns 101a, so dass die Parameter beim Plasmaspritzen so gewählt werden können, daß das Material der Schale 101b im wesentlichen aufschmilzt und die Schmelzschicht 102' bildet, das Material des Kerns 101a jedoch unaufgeschmolzen bleibt und somit über das Volumenverhältnis Schale 101b zu Kern 101a die Größe der Poren 104' der Kapillarstruktur definierbar ist (7).
Beispielsweise erfolgt die Herstellung des Einsatzes 40, wie in 8 dargestellt, durch Aufspritzen der Kapillarschicht 50 auf einem Dorn 110 mit einer zylindrischen Außenfläche 112, auf welche ein Trennmittel 114 aufgetragen ist.
Die über den gesamten Umfang des Dorns 110 aufgetragene Kapillarschicht 50 mit ungefähr gleicher Dicke bildet somit ein zylindrisches Teil, welches aufgrund des Trennmittels 114 von dem Dorn 110 abziehbar und als Einsatz 40 in die Zylinderwände 14 einschiebbar ist. Hierzu wird die erforderliche Dimension der Außenseite 42 des Einsatzes 40 weitgehend durch die Dicke der aufgetragenen Kapillarschicht bestimmt und gegebenenfalls noch durch mechanische Nachbearbeitung so geformt, dass der Einsatz 40 mit gutem Wärmekontakt an der Innenseite 44 der Zylinderwände 14 anliegt.
Dies lässt sich besonders vorteilhaft dann erreichen, wenn die Außenseite 42 des Einsatzes 40 bezüglich einer Zylinderachse 114 des Dorns 110 konisch ausgebildet wird und andererseits im Gegenzug ebenfalls die Innenseite 44 der Zylinderwände 14, so daß beim Einschieben des Einsatzes 40 in Richtung der Zylinderachse 114, welche gleichzeitig die Symmetrieachse auch der Zylinderwände 14 darstellt, ein flächiges Anliegen der Außenseite 42 an der Innenseite 44 ergibt.
Alternativ zum Herstellen eine Einsatzes 40 und Einsetzen desselben in das Gehäuse 12 lässt sich ein in 1 dargestelltes Wärmerohr auch dadurch herstellen, dass, wie in 9 dargestellt, das Gehäuse 12 aus zwei Zylinderhälften 120 und 122 hergestellt ist, wobei diese Zylinderhälften 120 und 122 so zusammensetzbar sind, dass sich eine Fügeebene 124 bildet, welche durch die Längsachse 116 des Gehäuses hindurchverläuft.
Diese beiden Zylinderhälften 120 und 122 lassen sich vor ihrem Zusammensetzen unter Bildung der Fügeebene 124 auf ihren Innenseiten 126 und 128 mit der Kapillarschicht 50 durch thermisches HF-Plasmaspritzen in in einfacher Weise versehen. Die Kapillarschicht 50 lässt sich dabei, wie in 7 dargestellt, unmittelbar auf die Innenseiten 126 und 128 der Zylinderhälften 120, 122 aufspritzen.
Eine vorteilhafte Variante des zweiten Ausführungsbeispiels sieht, wie in 10 dargestellt, vor, dass zunächst auf die jeweilige Innenseite, beispielsweise die Innenseite 128, eine Haftschicht 130 aufgetragen wird, auf welche dann die Kapillarschicht 50 folgt.
Vorzugsweise ist die Haftschicht 130 aus demselben Material wie die Kapillarschicht, jedoch aus Pulverpartikeln kleineren Durchmessers, wobei zum Aufbringen der Haftschicht 130 das thermische HF-Plasmaspritzen so geführt wird, dass die Haftschicht 130 eine geringere oder sogar gar keine Porosität aufweist, und die jeweilige Innenseite, beispielsweise die Innenseite 128 der Gehäusehälfte 122, durchgehend überdeckt. Auf diese Haftschicht lässt sich dann in einfacher Art und Weise durch Verwenden eines größeren Partikeldurchmessers und nur oberflächliches Aufschmelzen der Partikel die Kapillarschicht 50 auftragen, die auf der Haftschicht 130 besonders festen Halt findet, somit dient die Haftschicht 130 nicht nur zur Fixierung der Kapillarschicht 50 auf der jeweiligen Innenseite, beispielsweise der Innenseite 128, sondern außerdem auch dazu, eine gute Wärmeleitung zwischen der Kapillarschicht 50 und dem jeweiligen Gehäuse sicherzustellen.
Ein drittes Ausführungsbeispiel, dargestellt in 11 und 12 betrifft ein koaxiales Wärmerohr, bei welchem das Gehäuse 212 durch zwei koaxial zueinander verlaufende und ineinandergesteckte sowie endseitig verschlossene Zylinderwände 214 und 216 gebildet ist; wobei jede der Zylinderwände 214 und 216 auf ihrer dem Dampfkanal 32 zugewandten Innenseite 218 bzw. 220 mit einer Kapillarstruktur 222 bzw. 224 versehen ist, wobei dann zwischen den Kapillarstrukturen der Dampfkanal 52 liegt.
Die Kapillarschichten 222 und 224 sind dann ihrerseits noch zusätzlich über radial zur Zylinderachse 116 verlaufende ringförmige verbindende Kapillarstrukturen 226 oder 228 verbunden, wobei die Kapillarstruktur 226 durch eine Kapillarschicht gebildet ist, die auf einer endseitigen Abflußwand sitzt, während die Kapillarstruktur 228 ein zusätzlich eingesetztes Element, beispielsweise aus einem bislang bekannten Netzmaterial darstellt, welches an den Kapillarschichten 222 sowie 224 jeweils anliegt und damit ebenfalls eine Verbindung zwischen diesen gewährleistet.
Vorzugsweise werden auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Innenseiten 218 und 220 der Zylinderwände 214 bzw. 216 dadurch mit den Kapillarschichten 222 bzw. 224 versehen, dass jeweils Zylinderhalbschalen durch thermisches HF-Plasmaspritzen mit der Kapillarschicht versehen werden, die in gleicher Weise ausgebildet wird wie im Detail im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 13 und 14 ist das Wärmerohr ebenfalls ein koaxiales Wärmerohr, wobei zwischen der Kapillarstruktur 224 und der Kapillarstruktur 222 radial zur Zylinderachse 116 verlaufende und als Kapillarstruktur wirksame sogenannte Arterien 230 vorgesehen sind, welche über den gesamten Umfang verteilt jeweils die Kapillarschichten 222 und 224 miteinander verbinden.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel sind die Arterien 230 beispielsweise dadurch ausgebildet, dass sie einstückig an die Kapillarschicht 224 angeformt sind.
Derartige Arterien 230 lassen sich beispielsweise dadurch herstellen, dass zunächst eine Kapillarschicht 224 mit einer Dicke aufgetragen wird, welche die radiale Erstreckung der Arterien 230 mitumfaßt und dann Nuten 232 zwischen den Arterien durch lokales Abtragen der Kapillarschicht 224 hergestellt werden, so dass einerseits die die Innenseite 220 überdeckende Kapillarschicht 224 stehenbleibt und andererseits die an diese einstückig angeformten Arterien 230, welche beim Zusammensetzen des Wärmerohrs dann eine derartige radiale Erstreckung aufweisen, dass sie an einer Innenseite 234 der Kapillarschicht 222 berührend anliegen und ein kapillarer Kontakt zwischen den Arterien 230 und der Kapillarschicht 222 besteht.
Alternativ dazu ist, wie in 15 dargestellt, bei einer Variante des vierten Ausführungsbeispiels vorgesehen, zunächst die Kapillarschicht 224 aufzutragen und dann auf diese Maskenkörper 236 aufzulegen, zwischen welchen Zwischenräume verbleiben, in denen sich bei Fortsetzung des thermischen HF-Plasmaspritzens dann die Arterien 230 bilden. Die Maskenkörper 236 lassen sich dann nach Aufbau der Arterien 230 entfernen.
Beispielsweise sind derartige Maskenkörper 236 aus Graphit ausgebildet, das sich nach Fertigstellung der Arterien durch thermisches HF-Plasmaspritzen thermisch entfernen läßt, ohne die Kapillarschicht und die Arterien 230 zu verändern.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in 16 und 17 sind Arterien 240 aus mehreren Lagen von Netzmaterial, welches üblicherweise bei Wärmerohren als Kapillarstruktur Verwendung findet, gebildet, wobei dieses Netzmaterial jeweils C-förmig geformt und beispielsweise mit einem Schenkel 242 mit beispielsweise der Kapillarschicht 224 verbunden wird. Die Verbindung mit der Kapillarschicht 224 erfolgt beispielsweise durch Punktschweißen im Bereich des Schenkels 242 der entsprechenden Arterie 240. Es ist aber auch denkbar, den jeweiligen Schenkel 242 der jeweiligen Arterie 240 während des thermischen HF-Plasmaspritzens in die Kapillarschicht 224 miteinzubetten und damit bereits die jeweilige Arterie 240 in der durch thermisches HF-Plasmaspritzen hergestellten Kapillarschicht 224 zu verankern.
Der andere Schenkel 244 der jeweiligen Arterie liegt dann beim Zusammenbau des Wärmerohrs an der jeweiligen Innenseite 234 der Kapillarschicht 222 so an, dass ein Kapillarkontakt zwischen dem jeweiligen Schenkel 244 und der Kapillarschicht 222 besteht.
Im übrigen ist das fünfte Ausführungsbeispiel in gleicher Weise ausgebildet wie das dritte und vierte Ausführungsbeispiel, so dass bezüglich der Beschreibung weiterer Teile auf die Ausführungen hierzu Bezug genommen wird.
Sowohl beim vierten als auch beim fünften Ausführungsbeispiel sind die Arterien, wie in den 14 und 16 dargestellt, jeweils noch in Umfangsrichtung mit Durchbrüchen 250 versehen, welche somit einen azimutalen Dampfstrom und nicht nur einen Dampfstrom in radialer Richtung zur Zylinderachse 116 oder parallel zu dieser zulassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmerohrs zum Transport von Wärme von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich, umfassend ein Gehäuse mit Gehäusewänden, eine in dem Gehäuse angeordnete und im Verdampfungsbereich sowie im Kondensationsbereich jeweils mit der entsprechenden Gehäusewand thermisch gekoppelte Kapillarstruktur, einen in dem Gehäuse angeordneten und vom Verdampfungsbereich zum Kondensationsbereich führenden Dampfkanal und ein Wärmetransportmedium, wobei die Kapillarstruktur aus Pulverpartikeln als offenporige Kapillarschicht hergestellt wird und die Pulverpartikel oberflächlich angeschmolzen werden, so dass sich in der Kapillarschicht eine im erstarrten Zustand die Pulverpartikel verbindende Schmelzschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur durch Hochfrequenz-Plasmaspritzen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaspritzen derart durchgeführt wird, dass die Pulverpartikel unterhalb der Schmelzschicht eine Kristallstruktur aufweisen, welche der der Pulverpartikel vor dem Plasmaspritzen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht aus Pulverpartikeln aus metallischem Ausgangsmaterial hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht aus Pulverpartikeln aus keramischem Ausgangsmaterial hergestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plasmaspritzen materialhomogen aufgebaute Pulverpartikel verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plasmaspritzen Pulverpartikel verwendet werden, die ein in der Kapillarschicht die Schmelzschicht bildendes Material und ein einen Kern der verbleibenden Pulverpartikel in der Kapillarschicht bildendes Material aufweisen, und dass das anschmelzbare Material einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb dem Schmelzpunkt des Materials des Kerns der Pulverpartikel liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plasmaspritzen aus Pulverpartikel Materialien verwendet werden, die einen sich in den Pulverpartikeln von innen nach außen ändernden Schmelzpunkt ergeben.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht mit Poren mit einer mittleren Größe hergestellt wird, die im Bereich zwischen ungefähr 10 μm und ungefähr 1000 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht mit Poren mit einer mittleren Größe hergestellt wird, und dass die mittlere Porengröße im Bereich zwischen ungefähr 50 μm bis einige Hundert μm liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Pulverpartikel solche mit einer mittleren Partikelgröße verwendet werden, die im Bereich von ungefähr 30 μm bis ungefähr 300 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Pulverpartikel mit einer mittleren Partikelgröße verwendet werden, die im Bereich von ungefähr 50 μm bis ungefähr 200 μm liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Auftragen der Kapillarschicht auf einem Träger für diese eine Haftschicht mittels Plasmaspritzen aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus demselben Pulvermaterial wie die Kapillarschicht hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht als durchgehende Schicht hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht mit einer Dicke von mehr als 10 μm hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus Pulverpartikeln mit einer mittleren Größe hergestellt wird, die im Bereich zwischen ungefähr 5 μm und ungefähr 50 μm liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht mit einer sich in einer vorgegebenen Richtung ändernden mittleren Porengröße hergestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht als Teil eines Einsatzes hergestellt und dann in das Gehäuse eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht auf einem mit Trennmittel versehenen Formkörper aufgetragen und zum Einsetzen in das Gehäuse von diesem abgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus zwei Teilen zusammengesetzt wird, von denen mindestens eines vorher auf seiner Innenseite mit der Kapillarschicht versehen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht durch mechanisches Abtragen von Teilen derselben mit einem Dampfkanal versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht durch Verwenden einer Maske beim Plasmaspritzen mit einem Dampfkanal versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarschicht durch Umspritzen eines herauslösbaren Körpers mit einem Dampfkanal versehen wird.