DE2351452A1

DE2351452A1 - Verfahren zur herstellung von poroesen rohren mit extrem kleinen poren

Info

Publication number: DE2351452A1
Application number: DE19732351452
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl-Ing Vinz
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1972-10-26
Filing date: 1973-10-11
Publication date: 1974-05-09
Also published as: FR2204469A1; CA987057A; NL7314605A; US3911547A; LU66369A1; IT1000087B; FR2204469B1; GB1421069A; BE805990A

Description

Berlin, den 11. Oktober 1973

EUROPAEISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

Patentanmeldung

Verfahren zur Herstellung von porösen Rohren mit extrem kleinen Poren

Für das Prinzip des Wärmerohrs hat die rohrförmige Kapillarstruktur eine grundsätzliche Bedeutung, Sie stellt im benetzten Zustand den zur Aufrechterhaltung der Zweiphasenstromung notwendigen Druckunterschied zur Verfügung. Dieser Druckunterschied ist eine Funktion der Oberflächenspannung des benetzenden Wärmeträgers, des Benetzungsgrades und des Porendurchmessers der Kapillarstruktur.

Geht man in erster Näherung davon aus, daß der zur Anwendung kommende Wärmeträger gut benetzt, so ist für den Betrag des Druckunterschieds. die Porengröße entscheidend. Je kleiner die Pore ist, um so größer ist der erzeugte Kapillardruckunterschied.

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Für Kapillarstrukturen optimaler Porenabmessungen haben sich speziell bei den Hitteltemperatur-Wärmerohren, deren Wärmeträger flüssige Metalle mit großer Wärmeleitfähigkeit sind (Gs₁ K, Na)₁ Strukturen durchgesetzt, die zwar die notwendige Kapillardruckdifferenz liefern, aber wegen ihres erhöhten Reibungsbeiwerts nicht mehr den eigentlichen Flüssigkeitskanal darstellen. Bei diesen Systemen wird der flüssige Wärmeträger außerhalb der Kapillarstruktur zwischen der Wand und der Struktur transportiert.

Durchgesetzt haben sich zwei verschiedene Bauweisen. Ist die Kapillarstruktur instabil, so erfolgt der Flüssigkeitstransport in kreisförmig angeordneten Längsrillen, deren begrenzende Stege die Verformung der Kapillarstruktur verhindern. Eine praktische Ausführung besteht in der Abdeckung der Längsrillen mit handelsüblichen Netzgeweben, wobei die mit Längsrillen versehenen Rohre aus Blechen gebogen sind, in deren Stoß die Gewebeenden aus dem Innern des Rohrs herausgeführt und mit der Wand längsverschweißt werden.

Ist dagegen die Kapillarstruktur in sich stabil, so kann die Flüssigkeit in einem Ringspalt bei geringerem Reibungsdruckabfall transportiert werden.

Die erwähnte Ausführung eignet sich nur bei verhältnismäßig groben Netzgeweben. Feinere handelsübliche Netze können die bei der Schweißung auftretenden Wärmespannungen nur unter Verformung aufnehmen, die sich stets in einer Vergrößerung der Poren in der Schweißnahtzone bemerkbar macht. Die Ausführung ist zusätzlich sehr aufwendig (Fräsung der Rillen, Biegen zum Rohr, Schweißnaht über die gesamte Rohrlänge) und stellt eine vertretbare Lösung nur so lange dar, wie es noch keine formstabilen Kapillarstrukturen . -mit vergleichbaren Porenabmessungen gibt.

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Formstabile Kapillarstrukturen lassen sich ebenfalls aus handelsüblichen. Netzgeweben herstellen. Mehrere Lagen eines solchen Gewebes werden mittels einer Rundhammermasehine verdichtet und danach gesintert. Es entsteht ein stabiles poröses Rohr mit einer verhältnismäßig großen Wandstärke.

Diese Ausführung hat den Vorteil, daß handelsübliche Rohre und Metallgewebe verwendet werden können, was sich bei der Herstellung von Wärmerohren dieser Bauart in geringeren Fertigungskosten auswirkt .

Der Nachteil ist, daß beim Rundhämmern das Gewebe nicht homogen verdichtet wird. Bei diesem Fertigungsprozeß wird das Gewebe im Innern teilweise zerstört. Beides verursacht eine vergrößerte Toleranz der Porenabmessungen, wobei jedoch bei genügend großer Wandstärke kleinere Poren entstehen als der Nominalwert des verwendeten Gewebes.

Weiterhin ist bekannt, Rohre aus Metallpulver zu sintern. Hiermit können zwar kleinste Porenabmessungen erzielt werden, jedoch ist damit eine unzulässige Verkleinerung der notwendigen Verdampfungsoberfläche verbunden. Rohre aus Pulver gesintert sind .wenig elastisch und können nicht in kleinsten Wandstärken erzeugt werden. Verunreinigungen im Sinterwerkstoff und dessen ungleichmäßige Verteilung auf der Rohrwand führen zu vergrößten Porentoleranzen.

Die vorerwähnten Nachteile werden durch das Verfahren gemäß der Erfindung, vermieden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe, in Streifen geschnitten, spiralförmig überlappend zu einem Hohlkörper gewickelt und formschlüssig mit einem als Innen- oder Außenwandung wirkenden Sinterstützkörper in Berührung gebracht wird, worauf das Gewebe gesintert und anschließend vom Stützkörper abgelöst wird.

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Zwei Verfahrensvarianten sind möglich. Bei der einen wird als Sinterstützkörper ein Dorn verwendet, auf welchem die Streifen aufgewickelt werden; bei der anderen werden als Stützkörper Halbschalen verwendet, dtfi. die zuvor gewickelten Streifen fest umschließen. In den Hohlraum des Wickels werden Keramikkügelchen zur Erzeugung des erforderlichen Anpreßdruckes eingebracht. Die Stützkörper bestehen zweckmäßig aus einem keramischen Material, z.B. Al₂O-. . .

Es spielt fertigungstechnisch keine Rolle, ob mehrere Lagen von Netzstreifen zu einem Rohr gewickelt werden oder nur ein Streifen verwendet wird. Außerdem ist die Qualität bei mehreren Netzlagen unabhängig von der Wickelrichtung.

Rohre nach diesem Verfahren hergestellt zeichnen sich durch ihre Elastizität, geringe Wandstärke und kleinste Porentoleranzen, bei beliebig fein ausführbaren Poren, aus.

Die Verkleinerung der Porentoleranz ist auf das spiralförmige überlappende Wickeln zurückzuführen. Handelsübliche Metallgewebe haben, durch die Fertigung bedingt, fehlerhafte Stellen in'Form von unterschiedlichen Drahtabständen, die entweder in Netzstreifenlängsachse oder senkrecht dazu verlaufen. Es wurden Unstetigkeiten ermittelt, bei denen die Porengröße den drei- bis vierfachen Wert des vom Hersteller angegebenen Nominalwerts erreichten.

Wird ein solcher fehlerhafter Netzstreifen spiralförmig auf dem Kalibrierdorn gewickelt, so ist bei einer doppelten Ueberlappung der Fehler gerade ausgeglichen. Mehrere nach der Erfindung gefertigte poröse Rohre hatten ausnahmslos die vom Hersteller angegebene Porengröße. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist der geringe Verbrauch an teurem Metallgewebe, ohne die Qualität des porösen Rohres zu beeinträchtigen. Von Bedeutung ist außerdem, daß spiralförmig überlappend gewickelte Netzstreifen im ungesinterten Zustand, ohne Kalibrierdorn, formstabil sind.

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Werden die'se unter Zugbelastung gesintert, so entsteht ein poröses Rohr mit verringertem Rohrdurchmesser. Diese Möglichkeit ist vor allem für poröse Rohre aus hochschmelzenden Metallen (z.B. Wolfram) interessant, deren Sintertemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der temperaturbeständigen Keramiken liegt. ■

Ein maßgenauer Außendurchmesser des porösen Rohrs kann mit Keramik-Halbschalen erreicht werden, deren Innenwand im aufgeheizten Zustand die Begrenzung für das gewickelte RoiiBbildet. Damit sich das Rohr gleichmäßig an die Halbschalen anlegt, wird es mit Keramikkugeln der Größenordnung 0,1-1,0 mm aufgefüllt. Dieser Druck kann zusätzlich mit einem Gewicht erhöht werden. Dabei ist vorteilhaft, während der Sinterung das Teil ständig zu erschüttern. Auf Grund des günstigen Schüttungsgrades von Kugeln,wird so ein gleichmäßiger Anpreßdruck auf der gesamten Rohroberfläche erreicht.

Diese Methode wurde mit ungewalzten Netzstreifen erprobt. Die so gefertigten Rohre waren den auf Kalibrierdornen gesinterten Rohren.nur optisch unterlegen, d.h. durch die von den Kugeln erzeugte oberflächliche Rauhigkeit. Der Nachteil der Halbschalen gegenüber den Kalibrierdornen ist ihre schwierige Herstellung. In der Serienfertigung müßte sich jedoch das Halbschalenverfahren durchsetzen, da die Kugeln nach der Sinterung herausgeschüttet werden können. Das kalibrierte Rohr muß* dagegen zur Herausnahme des Dorns nochmals im Hochvakuum aufgeheizt werden.

Zur Fertigung beliebig feiter Poren können Ixandelsübliche Netzstreifen gewalzt werden. Auf diese Weise konnten Netzstreifen im Grenzfall zu vollkommen dichten Folien verarbeitet werden. Beim Walzen hat sich als Vorteil herausgestellt, das Metallgewebe während der Verformung mit einer Flüssigkeit zu benetzen (z.B. Azeton, Alkohol oder Wasser). Netze, unter Flüssigkeit gewalzt,

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erbrachten beim Blasentest eine Porentoleranz von durchschnittlich 25 - JO %. Dabei erreichte die größte Pore ein Fünftel der Ausgangsabmessung. Trockengewalzte Netzstreifen erbrachten vergleichsweise eine durchschnittliche Porentoleranz von 50 - 60 %\ das entspricht etwa der Porentoleranz des ungewalzten Netzstreifens. Das Walzverfahren unter Flüssigkeit hat somit nicht.nur eine allgemeine Verkleinerung der Poren zur Folge, sondern verkleinert bevorzugt die größten Poren. Durch Walzen erreicht man außerdem eine Fixierung der Drähte untereinander. Damit erhält der Netzstreifen eine gewisse Eigenstabilität. Die größte Pore ist damit ortsgebunden und nicht, wie beim ungewalzten Netz, mit einer gewissen Statistik behaftet. Die erste Blase trat bei gewalzten Netzstreifen immer an der gleichen Stelle, beim gleichen Systemdruck,auf. Diese Walzversuche wurden mehrmals wiederholt, die Ergebnisse sind bei gleichen Anfangsbedingungen reproduzierbar. Gewalzte Netzstreifen wurden zur Fertigung von porösen Rohren mit feinsten Poren (1-5 /um) verwendet.

Die Sinterung sollte zweckmäßig unter Schutzgasatmosphäre erfolgen, wobei als Schutzgas Edelgase oder Wasserstoff in reinster Form verwendet werden. Bei konstanter Sintertemperatur konnte eine gleichbleibende Porosität erreicht werden. Für die Qualität der Sinterung ist von Bedeutung, daß die vorgefertigten Rohre im Hochvakuum reinigungsgeglüht werden. Im aufgeheizten Zustand erfolgt dann die Schutzgasflutung zur Sinterung.

Patentansprüche

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Claims

-7 PATENTANSPRÜCHE ^ °

3-, Verfahren zur Herstellung Von porösen Rohren mit extrem kleinen Poren aus handelsüblichem Metallgewebe, dadurch' gekennzeichnet, daß das Gewebe, in Streifen geschnitten, spiralförmig überlappend zu einem Hohlkörper gewickelt" und formschlüssig mit einem als Innen- oder Außenwandung wirkenden Sinterstützkörper in Berührung gebracht wird, worauf das Gewebe gesintert und anschließend vom Stützkörper abgelöst wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinterstützkörper ein Dorn verwendet wird, auf welchem die Streifen aufgew±ckelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinter-Btützkörper Halbschalen verwendet werden, d<~£ die zuvor gewickelten Streifen fest umschließen, und daß in den Hohlraum des Wickels Keramikkügelchen zur Erzeugung des erforderlichen Anpreßdruckes eingebracht werden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gewalzte Gewebestreifen, vorzugsweise unter Flüssigkeit gewalzt, verwendet werden. ·

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