DE2328792C3 - Heißgasmotor und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Description

und Drücke auftreten, keine oder nahezu keine Ri«.» ♦ ^

aufweist Dies läßt sich wahrscheinlich durch die Tat ^ ^ ^d'^{e de}" ^K°^{lben bzW}-^{den Verdrän}8^er

sache erklären, daß die SiHziumnitridscnicht _Dräktl,h ^mil^{emem nicht} dargestellten Getriebe verbinden.

Smer unter Druckspannung steht ^P ** - ?^W1.^sc*^{en dem Kolben und dsm} Verdränger befinden Auf diese Weise ist es möglich geworden in einem < · ein Verdichtungsraum 6, der über einen Kühler 7,

Heißgasmotor Wasserstoff als aSsSiIT einen Regenerator 8 und einen Erhitzer 9 mit einem

23η. ohne daß oft nachgefUli£ 'S* brLcht' SSuiSL S""⁸" ^{befindlictol Εχ}Ρ^°"™ ¹⁰

An sich ist es aus der Halbleitertechnik bekannt daß Der FrhiÜr ο κ . u* a u ·

Siliaumnitridschichten durch Pyrolyse aus einem GaV R H ^ ?· « ΐ - ^{aUS emem anZ V}°ⁿ

-„«!c^ das Silizium in einer 1üch«~n vJ T * Rohren, wobei die Rohre 11 sich mit der einen Seite ™"iak eSut aLf einer sSmh?⁸ " ^ ^de" ^Reg^{enerator 8} >»d mit der anderen Seite an

aneebracht L Γ, Γ n, ^WaS' ^{emen Rin}8^ka^l 12 anschließen und die Rohre 13 den

angebracht sind. Gegebenenfalls sind Ringkanal 12 mit dem Expansionsraum 10 verbinden,

aen um zu ge- Um den Erhitzer 9 liegt ein Vorerhitzer 14, in dem

wechteiür τ ^{na dem Luft und} Verbrennungsgase miteinander in Wärmewechselnden Temperaturen i₅ austausch sind. Diese vorgeheizte Luft wird einem

ι ist, und nach Brenner 15 zugeführt, der über eine Leitung 16 Brenn-

Wasserstoffdiffu-

sASA^S^Sai;^

!? 2T«SstSne wSa,JS T i r^Uf" ^a° ^imRaumim Motor Wasserstoff. Die Rohre, aus denen TG S^^T f '''"Γ ^{der ErhitZer 9} zusammengestellt ist, sind an der Innen-

^kennz^^{chen auf}> seite mit einer Siliziumnitridschicht versehen. Dieses

^eer7 ^Si

dschicht versehen. Dieses

^Siliziumnitrid kann beispielsweise dadurch auf den

^fmrJoid«imBeiriii;^ _f ^mehr Rohren engebracht sein" daß die Rohre vor ihrer

als 100 C von der '^{m Be}tneb auftretenden max.malen _a5 Montage in einem isothermen Ofen auf eine Tempe-

Ternperatu. abweicht Das Auftragen einer Schicht ratur erhitzt worden sind, die zwischen 750 und 900°C

* °H ΑοΓη _w T^emi)eratUren f'^f" ⁷⁵° ^C liegt und daß danach ein Gasgemisch, das Silizium in

ü H^?,fνS;,r^h' Tl ^amOrS ^{e Und 8} _T ^{Ut gaS}- ^{einer f lüchti}S^en Verbindung und weiter unter anderem

dichte Schicht erhalten wird. Bei niedrigeren Te_;„pe- Ammoniak enthält, durch diese Rohre geführt worden

raturen ist die Anwachsgeschwindigkeit der Schicht zu 30 ist

f ^rinf; ^WR^ähr^nd f.^{ber 90}?°^{C di}* ^Si ^icy. ™ nehmen- Auf diese Weise können Erhitzerrohre aus Multimet dem Maße kristallin,wird, was die Gasdichtigkeit nicht (Dehnungskoeffizient: 18,1 bis 10-*/° C, durchschnittfordert. Die Schichtdicke hegt meistens zwischen 0,1 lieh von 20 bis 1000⁰C) mit einem Innendurchmesser ^und. £^m: , . . ,. . . „ . von 3 mm und einer Länge von 700 mm in einem iso-

D.e Erfindung bezieh sich weiter auf ein Verfahren 35 thermen Ofen auf 840⁰C erhitzt werden. Dem Rohr zum Herstellen eines Heißgasmotors, der mit einem wird ein Gemisch aus 5% Silan (SiH₄) in Argon Erhitzer versehen Bt, der aus einer Anzahl Rohre auf- Ammoniak (NH₃) und Wasserstoff (Verhältnis in gebaut ist, die einerseits durch Verlötung mit dem Volumenteilen gleichen Drucks und gleicher Tempe-Generator und andererseits durch Verlöten mit dem ratur [0,05 + I]: 1:50) mit einem Durchsatz von Raum mit höherer mittlerer Temperatur verbunden 40 2,6 l/min zugeführt. In 15 min wird eine homogene sind. Das Verfahren ist dabei dadurch gekennzeichnet, Schicht mit einer Dicke von 0 12 μπι erhalten Der daß die Rohre in einem Lötofen mit dem Regenerator Wasserstoffdiffusionskoeffizient dieses Rohrs beträgt und dem Raum höherer Temperatur verlötet werden, bei 75O⁰C und 30 at 0,15 cm³mm/dm² ■ h · at · V₂-wonach das Ganze abgekühlt wird, wobei beim Er- Nachdem ein solcherart behandeltes Rohr aus gereichen einer Temperatur von 900°C die Rohre mit 45 rädern Zustand zu einer Krümmung mit einem Radius einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen R = 52 mm gebogen worden war, betrug der Wasser-Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak Stoffdiffusionskoeffizient bei 75O°C und 30 at: 0,55. enthält, durchspült werden, wobei sich an der Innen- Es sei bemerkt, daß der Wasserstoffdiffusionskoeffi ■ wand der Rohre eine Siliziumnitridschicht bildet. zient des unbedeckten Rohrs bei 75O°C 30 at 26 betrug.

Ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Heiß- 50 Daraus geht hervor, daß die aufgetragene Siliziumgasmotors ist nach der Erfindung dadurch gekenn- nitridschicht die Wasserstoffdiffuison auch nach großer zeichnet, daß der Heißgasmotor nach seiner Montage plastischer Verformung noch sehr gut verringert,
mit einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Eine andere Möglichkeit, die SiHziumnitridschicht Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak ent- anzubringen, ist die, bei der ein Gasgemisch wie obenhält, gefüllt wird, wonach der Heißgasmotor mit Hilfe 55 stehend genannt als Arbeitsmittel eingesetzt wird, woseines Erihtzungssystems auf die zum Auftragen der nach mit dem Brenner der Erhitzer auf die zum Auf-Schicht erwünschte Temperatur gebracht wird, wonach tragen der Schicht gewünschte Temperatur gebracht der Heißgasmotor gestartet und das Gasgemisch an und der Motor gestartet wird. Das Gasgemisch wird den warmen Teilen entlang geführt wird, wobei sich dar.n hin- und herfließen, wobei sich an den warmen an diesen Teilen eine Siliziumnitridschicht bildet. 60 Teilen eine Siliziumnitridschicht bildet. Die Dicke der

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf aufgetragenen Schicht liegt in der Größenordnung

schematische Weise und nicht maßgerecht in der von einigen 10 μΐη.

Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher Das Auftragen erfolgt bei Temperaturen zwischen

beschrieben. 750 und 900⁰C weil oberhalb dieser Temperatur die

Dabei ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder an- 65 Schicht in zunehmendem Maße kristallin wird, wogedeutet, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 durch die Wasserstoffdiffusion wieder zunimmt. Im beweglich sind. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 genannten Temperaturbereich ist die gebildete Schicht sind mit einer Kolbenstange 4 bzw. einer Verdränger- amorph mit einem thermischen Ausdehnungskoeffi-

zienten in der Größenordnung von 4 · 10~^e/°C zwischen 0 und 1000⁰C, dies gefügt zu der konkaven Form der Innenoberfläche der Rohre und dem größeren Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Rohre als der des aufgetragenen Siliziumnitrids, schafft eine S Schicht, die auch nach längerer Betriebszeit auf sehr wirksame Weise Wasserstoffdiffusion verhindert. Als Materialien für die Rohre kommen das bereits erwähnte Multimet und Inconel, Haynes 25 und Hastelloy in Betracht. Die Zusammenstellung und der Ausdehnungskoeffizient dieser Materialien sind:

Multimet: Co 18,5, Ni 19, Cr 20, Mn 1, Si 1,Ta 0,75, W 2, Mo ,2,5, Fe Rest, Ausdehnungskoeffizient 18,1 · 10-« (20 bis 100⁰C). Inconel: Ni 73, Cr 15, Fe 7, Mn 0,7, Ti 2,5, Si 0,3, Al 0,9, Nb 0,9, Ausdehnungskoeffizient 17 ■ 10"» (20 bis 900°C).

Haynes 25: Co 52, Ni 10, Cr 20, Fe 3, W 15, Ausdehnungskoeffizient 16,5 · 10-* (20 bis 900°C).

Hastelloy: Co 1,5, Ni Rest, Cr 22, Fe 18,5, Mo 9, Ausdehnungskoeffizient 16,5 · 10~^$ (0 bis 1000⁰C).

Es dürfte einleuchten, daß die aufgetragene Siliziumnitridschicht es ermöglicht, als Arbeitsmittel in einem Heißgasmotor Wasserstoff mit allen damit einhergehenden Vorteilen zu verwenden, ohne daß eine öftere Wartung durchgeführt werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Heißgasmotor mit einem oder mehreren Räumen mit veränderlichem Volumen und höherer mittlerer Temperatur sowie mit einem oder mehreren damit verbundenen Räumen mit ebenfalls veränderlichem Volumen und niedrigerer mittlerer Temperatur, wobei sich ία jeder der Verbindungen zwischen diesen Räumen ein Regenerator befindet, "> wobei die genannten Räumen und die zwischenliegenden Verbindungen mit einem im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Arbeitsmittel gefüllt sind, das durch den Regenerator hin- und herströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die im Betrieb eine hohe Temperatur aufweisenden Innenwände der genannten Räume (6 bis 13) sowie die der Verbindungen mit einer Siliziumnitridschicht bedeckt sind, wober die betreffenden Wandteile eine konkave Form aufweisen und aus einem »<> Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten derselben GröCenordnung oder größer als der des aufgetragenen Siliziumnitrids hergestellt sind und die Sifoiumnitridschicht dadurch aufgetragen ist, daß die betreffenden Wandteile bei as hoher Temperatur mit einem strömenden Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak enthält, in Kontakt gebracht worden sind.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- 3<> kennzeichnet, daß die Siliziumnitridschicht bei einer Temperatur der betreffenden Wandteile aufgetragen ist, die höher ist als 75O⁰C und nicht mehr als 100⁰C von der im Betrieb auftretenden maximalen Temperatur in dieser Wand abweicht.

3. Verfahren zum Herstellen eines Heißgasmotors nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Heißgasmotor mit einem Erhitzer versehen ist, der aus einer Anzahl Rohre aufgebaut ist, die einerseits durch Verlöten mit dem Regenerator und andererseits durch Verlöten mit dem Raum mit höherer mittlerer Temperatur verbunden sind, dadurch gekennzeich net, daß die Rohre (11, 13) in einem Lötofen mit dem Regenerator (8) und dem Raum (10) mit höherer Temperatur verlötet werden wonach das Ganze abgekühlt wird, wobei beim Erreichen einer Temperatur von 900⁰C die Rohre (11, 13) mit einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak enthält, durchspült werden, wobei sich an der Innenwand der Rohre eine Siliziumnitridschicht bildet.

4. Verfahren zum Herstellen eines Heißgasmotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißgasmotor nach seiner Montage mit einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und Ammoniak enthält, gefüllt wird, wonach der Heißgasmotor mit Hilfe des Erhitzersystems (9 bis 15) auf die zum Auftragen der Schicht erwünschte Temperatur gebracht wird, ^δο wonach der Heißgasmotor gestartet und das Gasgemisch an den warmen Teilen entlang geführt wird, wobei sich auf diesen Teilen eine Siliziumnitridschicht bildet.

65 Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor, der einen oder mehrere Räume mit veränderlichem Volumen und höherer mittlerer Temperatur enthält, die mit einem oder mehreren Räumen mit ebenfalls veränderlichem Volumen und niedrigerer mittlerer Temperatur verbunden sind, wobei sich in jeder der Verbindungen zwischen diesen Räumen ein Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler befindet und wobei die genannten Räume und die zwischenliegenden Verbindungen mit einem im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Arbeitsmittel gefüllt sind, das durch den Renegenerator hin- und zurückfließen kann.

Heißgasmotoren der obengenannten Art sind bekannt (deutsche Patentschrift 8 19 756). In dieser Art von Heißgasmotoren hat das Arbeitsmittel einen derartigen Kreislauf, daß es unter dem Einfluß eines oder mehrerer kolbenförmigen Körper verdichtet wird, wenn es sich im wesentlichen in einem Raum mit niedrigerer mittlerer Temperatur befindet. Danach fließt das Mittel über den Kühler, den Regenerator und den Erhitzer, in welchen beiden letzteren das Arbeitsmittel Wärme aufnimmt, zu einem Raum mit höherer mittlerer Temperatur, wo das Arbeitsmittel expandiert.

Als Arbeitsmittel kann dabei Luft oder Helium verwendet werden; aber besonders Wasserstoff hat durch seine niedrigen Strömungsverluste große Vorteile. Obschon dies früher bekannt war, ist Wasserstoff nicht verwendet worden, weil Wasserstoff bei höherer Temperatur sehr schnell durch die für die Wände des Motors verfügbaren Konstruktionsmaterialien hindurch diffundiert. Dies hat zur Folge, daß die Leistung des Heißgasmotors sinkt und der verlorengegangene Wasserstoff wieder nachgefüllt werden muß. Das bedeutet, daß der Heißgasmotor sehr oft einer Wartung bedarf, was in der Praxis nicht akzeptierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasmotcr zu schaffen, in dem das Arbeitsmittel Wasserstoff ist und bei dem die Diffusion von Wasserstoff durch die heißen Wandteile auf sehr zuverlässige Weise vermieden wird.

Dazu weist der erfindungsgemäße Heißgasmotor das Kennzeichen auf, daß die im Betrieb eine hohe Temperatur aufweisenden Innenwände der genannten Räume sowie die der Verbindungen mit einer Siliziumnitridschicht bedeckt sind, wobei die betreffenden Wandteile an der Innenseite eine konkave Form haben und aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten derselben Größenordnung oder größer als der des Siliziumnitrids hergestellt sind und die Siliziumnitridschicht dadurch aufgebracht ist, daß die betreffenden Wandteile bei hoher Temperatur mit einem strömenden Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak enthält, in Kontakt gebracht worden sind.

Es hat sich herausgestellt, daß eine Siliziumnitridschicht, die bei höherer Temperatur aus der Gasphase auf einer konkaven Oberfläche eines Materials mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der dem des Siliziumnitrids entspricht, bzw. größer ist als der von Siliziumnitrid, aufgebracht ist, eine sehr gute Hemmung gegen Wasserstoffdiffusion durch die betreffenden Wandteile hindurch bildet. Durch die besondere Wahl der Form, des Ausdehnungskoeffizienten und der Auftragungstemperatur wurde erreicht, daß die Siliziumnitridschicht auch nach längerer Betriebsperiode, wobei hohe und wechselnde Temperaturen