DE2263155A1 - Hitzebestaendiger verbundkoerper - Google Patents

Description

• Hitzebeständiger Verbundkörper.
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen hitzebeständigen Verbundkörper für eine Wand, deren eine Seite hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während die andere Seit im Vergleich hierzu relativ kühl bleibt, mit einer Vielzahl von Korpern, die im Abstand voneinander in eine Matrix eingebettet sind und sich jeweils im wesentlichen von der einen zur anderen Seite der Wand erstrecken.
• Die Wände des vom heißen Arbeitsmedium durchströmten Kanals eines MHD-Generators werden im Betrieb sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Aus wirtschaftlichen Gründen sollen sie dieser Beanspruchung möglichst lange standhalten. Sie müssen außerdem genügend gasdicht sein und schließlich werden für bestimmte Teile besondere elektrische Eigenschaften gefordert, z.B. soll die Wand in Längsrichtung (Strömungsrichtung) im wesentlichen elektrisch isolierend wirken, um die auftretende Hall-Spannung nicht kurzzuschließen, andererseits wird in Radialrichtung (also von der Innenseite zur Außenseite des Kanals) eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gefordert. Ähnliche Anforderungen treten auch bei anderen Apparaturen auf, z.B. beim Hitzeschild eines Raumflugkörpers, bei thermonuklearen Reaktoren und manchen plasmaphysikalischen Forschungsapparaturen.
• Die bekannten Verbundkörper genügen den oben angegebenen Forderungen nur unvollkommen: Kanäle'mit Wänden hoher Wärmekapazität oder wassergekühlten Wänden aus Metallringen mit zwischen diesen angeordneten Foliendichtungen sind zwar gasdicht, sie lassen jedoch bezüglich der Isolation in Längsrichtung und vor allem der thermischen Beanspruchbarkeit noch erheblich zu wünschen übrig.
• Sogenannte "Pegwall-Kanäle mit rohrförmiger Wand aus radial verlaufenden Kupferstiften, die in eine Matrix aus Isolierkeramik eingebettet sind, lassen sich nur unter sehr hohen Kosten herstellen und sind wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Metalles der Stifte und des keramischen Materials der Isolierung nicht in der Lage, häufigen Temperaturwechseln standzuhalten und eine ausreichende Gasdichte zu gewährleisten.
• Die mit Betriebstemperaturen über etwa 1800 K arbeitenden "heißen Kanäle" mit Keramikwänden benötigen sehr komplizierte Kühlsysteme und haben auch noch andere erhebliche Mängel.
• Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen hitzebeständigen Verbundkörper anzugeben, der eine sehr hohe Hitzebeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit aufweist, der ausreichend gasdicht ausgebildet werden kann und der gegebenenfalls auch bestimmten elektrischen Anforderungen genügt (z.B. kleine elektrische Leitfähigkeit in bestimmten Richtungen in der Ebene der Wand und gleichzeitig zumindest in gewissen Bereichen hohe elektrische Leitfähigkeit in Dickenrichtung).
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Verbundkörper der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Matrix Fasern enthält, die im wesentlichen in Richtung von der Innenseite zur Außenseite der Wand verlaufen.
• Vorzugsweise sind die Fasern an der Außenseite der Wand befestigt und im Bereich der Innenseite der Wand lose.
• Der Erfindungsgedanke sowie Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Teiles eines Verbundkörpers vom BPegwall"-Typ gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung und Fig. 3 eine Schnittansicht eines kleinen Teiles eines Verbundkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Die hitzebeständigen Verbundkörper gemäß der Erfindung enthalten als wesentlichen Bestandteil Fasern, die vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche ddei7 t n Verbundkörper gebildeten Wand angeordnet sind und eine Art elastischer Wärmesperre und Dichtung zwischen den çdispersen" Elementen oder Körpern des Verbundkörpers, also zwischen metallischen Stiften oder Elektroden und/oder keramischen Wändbauteilen bilden.
• Die Fasern bestehen vorzugsweise aus Keramik, z.B. A1203, es können jedoch auch Fasern aus anderen Werkstoffen, z.B.
• Kohlefasern allein oder in Kombination mit isolierenden Fasern verwendet werden. Die Fasern können einzeln in einer Reihe oder in'Büscheln oder als Pakete angeordnet sein.
• Das Problem der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Matrixmaterials und der in dieses eingebetteten Körper kann auf diese Weise einwandfrei beherrscht werden.
• Durch Variation des Verhältnisses des Querschnitts der isolierenden Teile (Keramikfasern und Keramikkörper) zum Querschnitt der elektrisch leitenden Elemente (Metallstifte, Elektroden usw.) kann die Wärmeableitung kontrolliert und damit die Oberflächentemperatur der Wände beeinflußt werden. Die Verhältnisse lassen sich ohne Schwierigkeit so wählen, daß die Temperatur der mit heißem Gas und dgl. in Berührung kommenden Kanalinnenwand unter der Schmelztemperatur der verwendeten Materialien, wie Chromnickelstählen, A1203 usw. gehalten werden kann.
• Die elektrische Isolierung von elektrisch leitenden Körpern, die im Abstand voneinander in die Matrix eingebettet sind, läßt sich leicht dadurch sicherstellen, daß man die an der Außenseite der Wand befindlichen Enden der Körper und Fasern in einem isolierenden Material einbettet oder an einem solchen befestigt, was keine Schwierigkeiten bereitet, da dieser Teil der Wand relativ kalt gehalten werden kann. Auch die gewünschte Gasdichtigkeit läßt sich auf diese Weise ohne Schwierigkeiten erreichen. Durch die engen Spalte zwischen den Fasern kann das heiße Gas nämlich nicht bis an den Träger der Fasern und der eingebetteten Körper ungekühlt vordringen.
• Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das aus Kupferstiften 10 mit sechseckigem Querschnitt besteht, die im Abstand voneinander angeordnet sind und eine Art Bienenwabenmuster bilden. Die Zwischenräume zwischen den Kupferstiften sind mit Keramikfasern 12 gefüllt, die an der in Fig. 1 oben liegenden Innenseite der Wand lose, also nicht miteinander verbunden, aber fest zusammengepreßt sind.
• Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei in dem die/die Matrix eingebetteten Körper aus isolierenden Platten oder Ringen 14, z.B. A1203 sowie aus zwischen diesen angeordneten platten- oder ringförmigen Kupferelektroden 16 bestehen.
• Zwischen benachbarten Körpern 14 und 16 ist jeweils eine Schicht aus isolierenden Fasern 12 angeordnet, z.B. aus A1203-Fasern.
• Die in die Matrix eingebetteten Körper und die zwischen diesen angeordneten Fasern können auf verschiedene Weise gehaltert sein. So kann z.B. der Zwischenraum zwischen benachbarten Körpern 18 (Fig.- 3) an der in Fig. 3 unten liegenden kühleren Außenseite der Wand durch entsprechende Formgebung der betreffenden Enden der Körper 18 erweitert und mit einem Bindemittel 20 gefüllt sein, das zur Befestigung der äußeren Enden der Fasern 12 und gegebenenfalls auch zur Befestigung der äußeren Enden der Körper 18 dient. Gewünschtenfalls kann zusätzlich oder ausschließlich eine Innenwand 24 aus isolierendem Material vorgesehen sein, die die Fasern sowie die Körper 18 haltert und die die Wand als Ganzes gasdicht macht. Die Innenseite des Verbundkörpers bzw. der Innenwand 24 kann in bekannter Weise gekühlt werden.
• Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung bestehen auch die in die Matrix eingebetteten Körper aus Fasern, so daß also der ganze Verbundkörper aus Fasern besteht und eine velourartige Struktur darstellt. Die Fasern können in diesem Falle zum größten Teil aus isolierenden Keramikfasern bestehen, in denen elektrisch leitende Fasern, z.B. Kohlefasern, angeordnet sind. Man erreicht dadurch eine extrem feine Verteilung von Elektroden oder Sonden in der im übrigen aus Keramikfasern gebildeten, isolierenden Wand.
• Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann ferner dahingehend abgewandelt werden, daß die Körper 16 entfallen und die Fasern 12 aus elektrisch leitenden Fasern, z.B. Kohlefasern bestehen.
• Die Isolation wird dann durch die Keram-ikkörper 14 gewährleistet, während die Fasern 12 elektrisch leiten und als streifenförmige Elektroden verwendet werden können. Dadurch, daß man Bereiche, die nur Keramikfasern enthalten, mit Bereichen, die im wesentlichen aus elektrisch leitenden Fasern bestehen, abwechseln läßt, kann man praktisch beliebige Elektrodenkonfigurationen erreichen.
• Bei den im wesentlichen nur aus Fasern bestehenden Verbundkörpern gemäß der Erfindung können die Fasern zu Büscheln zusammengefaßt sein, wie es bei Bürsten der Fall ist. Diese Büschel können z.B. im wesentlichen aus Keramikfasern bestehen und innen eine oder mehrere leitende Fasern enthalten, z.B.
• Kohlefasern oder Fasern, die aus einem mit Keramik oder Glas überzogenen Metalldraht bestehen.
• Eine Anordnung der Fasern in Büscheln ist besonders auch bei Verbundkörpern des in Fig. 1 dargestellten Typs mit im Querschnitt kreisförmigen Stiften vorteilhaft. In diesem Falle können dann die Stifte so angeordnet werden, daß sie im Querschnitt näherungsweise dreieckige Zwischenräume bilden, in denen jeweils ein Faserbüschel angeordnet ist.
• Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln. So können Verbundkörper des in Fig. 1 dargestellten Typs mit Stiften der verschiedensten Querschnittsformen aufgebaut werden. Der Querschnitt und die Form der Stifte kann sich ja auch von der einen Seite der Wand zur anderen hin ändern.
• Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 können das Bindemittel 20 und die Innenwand 24 aus ein und demselben Material bestehen und zusammen (integral) durch Gießen oder dgl. hergestellt werden.
• Die vorliegenden Verbundkörper lassen sich auch in komplizierten Wandformen wirtschaftlich herstellen. Man kann z.B.
• eine gegebenenfalls zerlegbare oder auf andere Weise entfernbare Form herstellen, deren Oberfläche die Gestalt der im Betrieb heißen Seite der durch den Verbundkörper gebildeten Wand hat. Auf dieser Form wird nun der Verbundkörper durch Zusammenfügen der Körper und der Faserzwischenlage aufgebaut.
• Dies kann gegebenenfalls dadurch erleichtert werden, daß man die Form mit Vertiefungen versieht, in die die Körper, z.B.
• die Stifte 10 (Fig. 1) eingesetzt werden können. Nachdem die Wand so aufgebaut worden ist, wird die Hinterseite mit einer Gießharzschicht oder dgl. überzogen oder umspritzt oder anderweitig mit Bindemittel versehen, so daß ein zusammenhängendes Gebilde entsteht. Nach Entfernung der Form ist der Verbundkörper dann verwendungsfähig.

Claims (7)

Patentansprüche

1.) Hitzebeständiger Verbundkörper für eine Wand, deren eine Seite hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während die andere Seite im Vergleich hierzu relativ kühl bleibt, mit einer Vielzahl von Körpern, die im Abstand voneinander in eine Matrix eingebettet sind und sich jeweils im wesentlichen von der einen zur anderen Seite der Wand erstrecken, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Matrix Fasern (12) enthält, die im wesentlichen in Richtung von der Innenseite zur Außenseite der Wand verlaufen.

2.) Verbundkörper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß die Fasern (12) an der kühleren Seite der Wand befestigt sind und im Bereich der heißeren Seite der Wand lose sind.

3.) Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß sowohl die Matrix als auch die in diese eingebetteten Körper aus Fasern bestehen.

4.) Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß Körper (10, 14) aus elektrisch leitendem Material vorgesehen sind, und daß die Matrix isolierende Fasern (12) enthält.

5.) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens ein Teil der Fasern im Bereich der kühleren Seite der Wand zu Büscheln zusammengefaßt ist.

6.) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er sowohl Fasern aus einem elektrisch leitenden Material als auch Fasern aus einem elektrisch isolierenden Material enthält.

7.) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fasern und die Körper an der kühleren Seite der Wand an einer Struktur (20 undZoder 24) befestigt sind, die die Wand im wesentlichen gasdicht macht.

L e e r s e i t e