DE2133950A1

DE2133950A1 - Verbundene Metallstrukturen mit darin ausgebildeten, kompliziert geformten Kanälen und Verfahren zur Herstellung derartiger Strukturen

Info

Publication number: DE2133950A1
Application number: DE19712133950
Authority: DE
Inventors: Robert S. Dearborn Heights Mich. Kiwak (V.StA.). M
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1970-09-02
Filing date: 1971-07-08
Publication date: 1972-03-09
Also published as: GB1315478A; FR2108215B1; FR2108215A1; US3680576A

Description

Patentanwalt

Karl A. Br öse

D-8023 München 057

DB/Mü-Paris file: 4550-A München-Pullach, den 7. Juli 1971

THE BENDIX CORPORATION. Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48075, USA

Verbundene Metallstrukturen mit darin ausgebildeten, kompliziert geformten Kanälen und Verfahren zur Herstellung derartiger Strukturen

Die Erfindung betrifft verbundene Metallplättchen die Fluidic-Strukturen bilden, in denen kompliziert geformte Kanäle ausgebildet sind. Insbesondere zeigt die Erfindung, dass eine komplizierte verbundene Struktur die eine Anzahl von übereinander angeordneten Plättchen enthält, welche oberhalb und unterhalb eines Plättchens angeordnet sind, das zur Ausbildung einer grossen Höhlung oder eines Kanales ein daraus ausgeschnittenes Muster aufweist, in einem einzelnen Verbindungsschritt hergestellt wird, falls die Höhlung zunächst mit einem Stützmetall gefüllt wird. Das stützende Metall verhindert die Verformung der Struktur beim Verbinden in dem hierdurch verhindert wird, dass irgendeines der Metallplättchen in die Höhlung hineingedrückt wird. Weiterhin überträgt dieses Metall den Verbindungsdruck über die Höhlung, so dass der Teil, der Plättchen oberhalb und unterhalb der Höhlung die in Ausrichtung mit derselben stehen, miteinander verbunden werden.

Polglich ist ein Gegenstand der Erfindung komplizierte verbundene Strukturen mit einer Anzahl plattchenförmiger metallischer Teile, die oberhalb und unterhalb eines plättehenförmigen Metall·-

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teiles angeordnet sind, in dem eine Höhlung ausgebildet ist, herzustellen. Die Höhlung wird mit einem stützenden Metall während der Verbindung derart gefüllt, dass der Verbindungsdruck über den Kanal oder die Höhlung übertragen wird und die Teile der anderen Metallplättchen miteinander verbindet, die in Ausrich-.tung mit der Höhlung stehen. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es verbundene Metallstrukturen zu bilden, in denen kompliziert geformte Kanäle genauer Abmessungen ausgebildet sind, in den die Kanäle während der Verbindung mit einem stützenden Metall gefüllt werden, welches einen Ausdehnungkoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem der gestützten Metallteile ist, und einen Schmelzpunkt aufweist, der im wesentlichen genau so hoch wie der der gestützten Metallteile ist, so dass keine Deformation während der Verbindung auftreten kann.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Erleichterung der chemischen Entfernung eines Stützteiles nach Abschluss der Verbindung, in dem der Stützteil in einer bienenwabenähnlichen Gitterstruktur ausgebildet wird, um somit die Menge des Stützteiles zu minimieren, die ausgelaugt oder auf andere Weise chemisch entfernt werden muss, und um die Oberfläche des Stützteiles zu maximieren, an der eine chemische Reaktion auftreten kann. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es eine plättchenförnige geschichtete pneumatische Abdichtung oder Dichtung zwischen den plättchenförmigen Teilen eines Fluidic oder einer anderen Kanalstruktur vorzusehen. Die pneumatische Dichtschicht ist aus einem Metall hergestellt, das aus der Struktur auf chemischem Wege entfernt werden kann, ohne dass irgendein anderer Metallteil angegriffen wird, und derart angeordnet, dass die Entfernung desselben den Zutritt zu dem Kanal gewährleistet.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung miteinander verbundene Metallplättchen die Fluidic-Strukturen mit darin ausgebildeten,

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kompliziert geformten Kanälen aufweisen und Verfahren zur Herstellung (ferartlger Strukturen,bei denen Plättchen Verwendung finden, die aus einem ersten Metall hergestellt sind und Plättchen, die aus einem zweiten Metall hergestellt sind. Mittels der Erfindung kann eine komplizierte verbundene Metallstruktur, die eine Anzahl von Plättchen aufweist, die oberhalb und unterhalb eines Plättchens angeordnet sind, aus welchen ein Muster ausgeschnitten ist, um eine grosse Höhlung oder einen Kanal auszubilden, in einem einzigen Verbindungsschritt hergestellt werden, falls die Höhlung zunächst mit einem stützenden Metall gefüllt wird. Das stützende Metall verhindert die Deformation der Struktur während der Verbindung, in dem dadurch vermieden wird, dass irgendein Metallplättchen in die Höhlung gedrückt wird. Gleichfalls wird durch das stütztende Metall Verbindungsdruck über die Höhlung übertragen, so dass die Teile der Plättchen die oberhalb und unterhalb der Höhlung in Ausrichtung mit der Höhlung angeordnet sind, miteinander verbunden werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine verbundene Fludic-Kanalstruktur die zur Oberprüfung oder zum Reinigen der Kanäle leicht auseinandergenommen werden kann. Diese Struktur wird aus einer Anzahl plättchenförmiger Teile hergestellt, die aus einem ersten Metall geformt sind und einem anderen plättchenförmigen Teil, der eine pneumatische Dichtung oder Abdichtung aufweist, und aus einem zweiten Metall hergestellt ist, welches ausgelaugt oder auf eine andere chemische Weise mittels eines Verfahrens entfernt werden kann, das nicht irgendeinen anderen Teil der Struktur angeift. Nach der Zusammenfügung ist das die pneumatische Dichtung bildende Plättchen in einer Lage angeordnet, in der die Entfernung desselben den Zugang zu dem Kan-.al gewährleistet.

Diese und weitere Gegenstände, Vorteilaund Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in der unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen beispielhaft veranschau-

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lichte Ausführungsformen die Erfindung näher erläutert wird.

Es zeigt:

Fig. 1 die Ansicht in auseinandergezogener Darstellung eines Stapels von Metallplättchen, die einen Teil einer Fluidic-Einrichtuig bilden, wenn sie miteinander verbunden sind, Zwei der Plättchen weisen grosse Höhlungen auf, die mit einem bienenwabenähnlichen stützenden Metall gefüllt sind welches den Verbindungsvorgang unterstützt und anschliessend herausgelaugt wird;

Fig. 2 einen Schnitt einer verbundenen Fluidic-Einrichtung, die aus den Figur 1 veranschaulichten Plättchen gebildet ist und längs der Linie 2-2 aufgeschnitten wurde; und

Flg. 3 eine Ansicht in auseinandergezogener Darstellung eines Teiles eines Fluidic-Kreises, der aus einer Anzahl von Plättchen gebildet ist, bei dem zwei Plättchen aus einem Material hergestellte pneumatische Dichtungen enthalten, welche auf chemischem Wege aus dem Fludic-Kreisabschnitt entfernt werden kann, um den Zugang zu dem Fludlc-Kanal zu erreichen, ohne dass ein anderer Plättchenteil beeinflusst wird. ·

In den Zeichnungen ist in Figur 1 ein Stapel 10 aus 12 mit den Bezugszeichen 12 bis 23 versehenen plättchenförmigen Teilchen veranschaulicht, die vorzugsweise aus Rostfreiem Stahl hergestellt sind. Wenn sie miteinander verbunden sind bilden diese Teile 12 - 23 einen Teil 24 (in Figur 2 veranschaulicht) einer Fluidlc-Schaltung. Wie aus Figur 1 ersichtlich, schliesst der Fluidic-Schaltungsteil 24 zwei übliche arbeitende Fliidic-Schaltungs-elemente ein. die übereinander angeordnet sind, dieses

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sind ODER-Gatter 26 und 28, die In den Plättchen 16 bzw. 22 ausgebildet sind. Weiterhin weist die Struktur eine Kammer oder Höhlung 30, die in dem Plättchen 13 und 14 ausgebildet ist, eine Kammer oder Höhlung 32, die in dem Plättchen 18, 19 und 20 ausgebildet ist und eine Anzahl kleiner Löcher auf, die in den anderen Plättchen ausgebildet sind, um Medium zwischen den verschiedenen ODER-Gatterhund den Kammern zu übertragen. Vor der Verbindung werden die Höhlungen 30 und 32 mit einem stützenden Material gefüllt, das der form der Höhlung entspricht. Vorzugsweise finden die Waben- oder gitterähnlichen Stützelemente 3¹J und 36 Verwendung, die vorzugsweise aus Nickel hergestellt sind.

Der Schaltungsteil 24 wird .in einem Verbindungsvorgang aus dem Stapel 10 der plattchenförmigen Teile hergestellt, bei dem alle Plättchen 12 bis 23 zunächst in einem einzelnen Stapel 10 angeordnet und dann einer ausreichenden Hitze und einem ausreichenden Druck unterworfen werden, um jedes Plättchen mit dem benachbarten Plättchen zu verbinden. Obwohl eine grosse Anzahl von verschiedenen Verbindungsdrücken und Temperaturen im Rahmen dieser Erfindung in Abhängigkeit von der Wahl der zu verwendenden Metalle zur Anwendung kommen können, 1st es zweckdienlich die aus rostfreiem Stahl bestehenden Fludic-Einrichtungen in einem Temperaturbereich zwischen 205O⁰P und 2175⁰P unter einem Druck von 72-100 psi der 10 bis 30 Minuten lang aufgebracht wird, herzustellen. Diese TemperaturenprOok· und Zelträume stellen eine Diffusionsverbindung zwischen den verschiedenen Teilen miteinander her. Die Verbindung wird in einer nicht reagierenden oder inerten Gasatmosphäre durchgeführt*

Während des Verbindungsvorganges erfüllen die waben- oder gitter* ähnlichen Stützelemente 34 und 36 eine Anzahl von Aufgaben. Zunächst verhindern die Stützelemente die Verformung der Höhlung 30 und 32 während des VerbindungsVorganges. D.h. die tfaben-und

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gitterähnlichen Teile 3A und 36 füllen diese Höhlungen derart aus, dass die anderen Plättchen 12 und 17» die vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt sind und welche oberhalb derHöh-lungen 30 und 32 angeordnet sind, nicht in die Höhlungen während der Verbindung hineingedrückt werden· Die veranschaulichten Wabenstrukturen gewährleisten eine ausreichende Abstützung ,um eine Deformation der Teile oberhalb und unterhalb der Höhlungen zu verhindern« obwohl sie eine Anzahl von Löchern aufweisen und folglich nicht jeden Punkt der Höhlungen mit festem Material ausfüllen. Die Wabenstrukturen gewährleisten eine ausreichende Abstützung ungeachtet der Tatsachej dass die hohen Verbindungstemperaturen und Drücke andererseits die Verformung eines Plättchens hervorrufen wurde, falls dieses Plättchen nicht über eine wesentliche Entfernung abgestützt wäre· Auf diese Weise wird sich das Plättchen nicht verformen oder werfen, falls es an in dichtem Abstand angeordneten Intervallen abgestützt ist. Die ODER-Gatter 26 und 28 und die in den verschiedenen anderen Plättchen 12 - 23 ausgebildeten Löcher sind ausreichend klein, so dass ein stützendes Metall nicht notwendig ist, die Form dieser Ausnehmungen bei den Verhinäungstemperaturen und Drücken die Üblicher Weise zur Herstellung von Fluidic-Einheiten Verwendung finden, aufrecht zu erhalten.

Die Höhlungen 30 und 32 sind während des gesamten Verbindungsprosesses ausreichend und richtig abgestützt, da die ausgewählten metallenen Stützteile 34 und 36 beispielsweise aus Nickel einen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der im wesentlichen gleich dem Ausdehnungskoeffizienten der anderen gewählten Me-"tallplättchen« beispielsweise rostfreier Stahl,ist und weiterhin einen Selimelzpunkt aufweisen, der mindestens im wesentlichen genauso hoch wie der vois rostfreiem Stahl ist. Fall sich die Stützteile" schneller'ausdehnen'als die Teile, die abgestützt werden, wurden die Höhlungen während des Verbindungsvorganges

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vergrössert werden. Im umgekehrten Falle, falls die Abstützteile entweder In einem langsameren Hasse als die abgestuften Teile ausgedehnt würden« oder während des VerblndungsVorganges anfangen würden zu schmelzen, würden die Plättchen nicht ausreichend während der gesamten Verbindungsoperation abgestützt werden und folglich in den Höhlungen hineingedrückt werden.

Die Stutzelemente 34 und 36 ermöglichen es, dass der Fluidic-Schalttell 24 in einem einzelnen Verbindungsschritt hergestellt werden kann. Falls durch die Elemente 34 und 36 keine Abstützung vorgesehen wäre, wurden die Bereiche der anderen Plättchen, die mit den Höhlungen ausgerichtet sind, nicht miteinander verbunden werden, falls sie nicht vor dem Zeltpunkt auf diese Weise verbunden würden, an dem sie mit diesen Höhlungen ausgerichtet werden. Beispielsweise falls der Verbindungsdruck sowohl von oberhalb als auch von unterhalb des Stapels 10 aus j31ättchenförmigen Teilchen aufgebracht würde, würden die Bereiche der Plättchen 15, 16 und 17, die mit beiden Höhlungen 30 und 32 ausgerichtet sind, nicht miteinander verbunden werden, falls die Stützelemente 3* und 36 nicht vorhanden wären, da der über die Höhlungen 30 und 32 übertragene Druck nicht ausreichen würde, um die Bindung herzustellen. Somit würdekein Verbindungsdruck auf die Bereiche der Plättchen 15, 16 und 17, die mit beiden Höhlungen ausgerichtet sind, aufgebracht. Hinzu

kommt, dass die Bereiche der verschiedenen Plättchen, die mit lediglich einer der Höhlungen 30 und 32 ausgerichtet sind, nicht miteinander verbunden werden würden, falls die Stützelemente nicht vorhanden wären, da ein aufgebrachter Verbindungsdruck diese Bereiche der Plättchen nicht zusammenpressen würde und

keine Bindung herstellen würde, sondern stattdessen diese Bereiche der Plättchen in eine der Höhlungen hineinpressen- würde.

Die wabenförmigen Stützelemente 34 und 36 übertragen einen ge-

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nügend grossen Druck über die Höhlungen 30 und 32, um die Bereiche der anderen Plättchen miteinander zu verbinden, die mit beiden Höhlungen ausgerichtet sind, obwohl der Druck nicht auf jeden Punkt der Plättchen 15» 16 und 17 übertragen wird, der mit den Höhlungen 30 oder 32 ausgerichtet ist. Druck muss nämlich nicht auf jeden Oberflächenpunkt der plattchenförmigen Teile übertragen werden, um eine gute Bindung zwischen diesen Teilen herzustellen j eine gute Bindung wird erreicht, falls ein ausreichend grosser Druck an in dichten Abstand zueinander liegenden Punkten aufgebracht wird, wie sie durch die wabenförmige Struktur gewährleistet sind.

Nach der Verbindung werden die wabenförmigen Stützelemente 34 und 36 aus der verbundenen Struktur herausgelöst oder gelaugt. Obwohl ein festes Metall oder anderes Material Verwendung finden/kann, gewährleistet die ^benförmige Bauweise der Stützelemente 34 und 36 ihre Entfernung dadurch dass die Materialmenge, die aufgelöst werden muss, minimiert wird und dadurch, dass die Oberflächenausdehnung der Stützelemente auf der eine Reaktion, auftreten kann, maximiert wird.

In Figur 3 ist in aus^inandergezogener oder auseinandergenommener Darstellung eine zweite \Fluidle-Vorrichtung 40 veranschaulicht ₉ die aus sieben plattchenförmigen Teilen besteht, die mit ' 42 - 48 bezeichnet sind. Diese Fluidic-Einrichtung 40 wird üblicherweise als ein Dreielement UND-Gatter-bezeichnet, wobei die drei arbeitenden Elemente monostabile ■Verstärkerhöhlungen oder Kanäle 50, 52 und 54 sind, die in den Plättehen 43, 45 bzw. 47 ausgebildet sind. Die Plättchen 42, 43, 45, 47 und 48 sind, aus einem Metall hergestellt, das mit einem Lösungsmittel nicht reagiert, welches mit dem Metall reagiert, aus dem die Plättchen 44 und 46 gebildet sind. In der vorgezogenen Aushführun.gsform sind die Plättchen 44 und 46 aus einem Metall, wie

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beispielsweise Nickel,hergestellt, welches auf chemischem Wege aus der Struktur durch Verwendung eines Lösungsmittels,beispiels* weise Salpetersäure,entfernt werden kann, ohne dass die anderen·. Teile angegriffen werden. Die Nickelteile bilden Abdichtungen oder pneumatische Dichtungen, die von irgendeinem anderen Teil während des Betriebes der Vorrichtung 40 nicht unterschieden werdenkönnen. Wie dies auch der Fall mit dem Bereich 24 der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Fluidic-Schaltung der Fall war, kann eine Anzahl verschiedener Verbindungsdrücke und Temperaturen einschliesslich derer die zur Herstellung des 'Fluidic-Teiles 24 Verwendung fanden, herangezogen werden, um die Fluidic-Vonichtung 40 herzustellen. Die Fluidlc-*Vorrichtung 40 unterscheidet sich von anderen Fluidic-Yorrichtungen darin, dass eine Bedienungsperson Zugang zu den Kanälen 50, 52 und 54 nach einer gewissen Verwendungtfauer zu Zwecken,beispielsweise zum Reinigen dieser Kanäle oder zur Überprüfung der Kanalwandüngen hinsichtlich des durch den Medienstrom verursachten Verschleisses, . erhalten kann, indem einfach die pneumatischen Dichtelemente 44 und 46 mit einem Reagenz,beispielsweise Salpetersäure,aufgelöst werden. Da Salpetersäure nicht mit dem rostfreien Stahl reagiert, können die Elemente 44 und 46 entfernt werden, ohne dass ein anderer Teil der Verrichtung 40 in irgendeiner Weise beeinträchtigt und beschädigt wird»

Sämtliche in der Zeichnung dargestellten und in der Beschreibung erläuterten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

- ίο -

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung einer verbundenen Metallfluidlc-Kanalstruktur, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anordnen auf mindestens einer Seite eines Metallteiles mit einer darin ausgebildeten Höhlung einer grcfflen Querschnittsfläche einer Anzahl von Metallteilen* die derart geformt und angeordnet sind, dass sie mindestens einen Medienstromkanal bilden, wobei die Anzahl von Metallteilen derart angeordnet wird, dass der Kanal in Verbindung mit der grossen Höhlung kommt und dass mindestens ein Teil des Kanales mit der grossen Höhlung ausgerichtet ist; Füllen der Höhlung mit einem metallenen Stützteil zur Aufrechterhaltung der Fqm der Höhlung, welcher Stützteil aus einem Metall hergestellt ist, das in einem Lösungsmittel löslich ist, welches nicht mit irgendeinem Metallteil der Fluidic-Struktur reagiert _s der in Berührung mit dem Stützmetallteil steht; Verbinden aller Metallteile der Fluidic-Struktur mit ihren benachbarten Teilen; und Entfernen des Stützmetallteiles auf chemischem Wege mittels besagten Lösungsmittels.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Verbindung durch Aufbringen einer Wärmemenge und einem Druck auf die Metallteile durchgeführt wird, welche die Teile im Bereich des die grosse Höhlung aufweisenden Teiles \erformen würde, indem Bereiche dieser benachbaren Teile in die Höhlung gedrückt werden_a falls die Höhlung nicht mit dem Stützmetallteil gefüllt wäre.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stütznietallteil Verwendung findet, welcher eine wabenähnliche Struktur aufweist und zur Ausfüllung der Höhlung geformt ist.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Metallteil in dem die Höhlung ausgebildet ist, und die Anzahl von Metallteile, die derart geformt und angeordnet sind, dass sie mindestens einen Medlenstromkanal definieren, aus einem ersten Metall hergestellt sind, währendäer Stützmetallteil aus einem zweiten Metall hergestellt 1st, welches einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem des ersten Metalles ist und das einen Schmelzpunkt aufweist, der mindestens im wesentlichen so hoch wie der des ersten Metalles liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall ein rostfreier Stahl und das zweite Metall Nickel ist.
6. Verfahren zur Herstelung einer verbundenen Pluidic-Struktur mit einem darin ausgebildeten Medlenstromkanal und einem Teil der leicht entfernt werden kann um Zugang zu dem Kanal zu erhalten^ gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anordnen einer Anzahl von aus einem ersten Metall hergestellten Teilen in stapeiförmiger Beziehung zueinander und wobei mindestens ein Teil aus einem zweiten Metall hergestellt ist, das mit-einem Lösungsmittel chemisch reagiert, welches nicht mit dem ersten Metall reagiert; die übereinandergestapelten Teile derart geformt und angeordnet sind, dass sie eine Pluidic-Struktur mit dem darin ausgebildeten Medienstromkanal bilden und der Teil der aus einem zweiten Metall hergestellt ist, derart geformt ist, dass er eine pneumatische Dichtung bildet, und in einer Lage angeordnet ist, in der das Auflösen des zweiten Metallteiles den Zugang zu zumindest zu einem Teil des Kanales gewährleistet; und Verbinden der besagten Teile mit ihren benachbarten Teilen,
7. Verfahren nach Anspruch 6₉ dadurch gekennzeichnet, dass das

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erste Metall ein rostfreier Stahl ist, das zweite Metall Nickel ist, und der Verfahrensschritt des Verbindens das Aufbringen einer ausreichenden Hitze und Druck auf die übereinandergestapeltdn Metallteile einschliesst, um eine Diffusionsverbindung jedes der Teile mit den benachbarten Teilen herzustellen.

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