DE2440563C3 - Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscher- oder Wärmeübertragungselements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscher- oder Wärmeübertragungselementes, bei dem ein poröser Körper in Form von polykristallinen Metallwhiskern oder metallisierten Nichtmetallfäden oder eines aus solchen Whiskern oder Fäden bestehenden porösen Skeletts in ein metallisches Rohr eingebracht und durch Abscheiden eines Metalls mittels thermischer Zersetzung einer Metallverbindung mit der Rohrwand metallisch verbunden wird, indem man die Rohrwand auf eine Temperatur im Zersetzungstemperaturbereich der Metallverbindung erhitzt, die Metallverbindung in Dampfform laufend an einem Ende des Rohres zuführt, durch den porösen Körper strömen läßt und nicht zersetzte Metallverbindung sowie gasförmige Spaltprodukte der zersetzten Metallverbindung am anderen Ende des Rohres abführt.

Ein derartiges Verfahren ist in der DT-OS 21 57 807 beschrieben.

Wärmetauscher- oder Wärmeübertragungselemente der eingangs genannten Art werden normalerweise von einem wärmeaufnehmenden und/oder wärmeabgebenden flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt, wobei die Rohrwand als wärmeabgebendes bzw. wärmeaufnehmendes Bauteil dient. In jedem Falle ist zur Erzielung eines raschen Wärmeaustausches bzw. einer raschen Wärmeübertragung von Bedeutung, daß zwischen den polykristallinen Metallwhiskern oder den metallisierten Nichtmetallfäden bzw. dem aus diesen bestehenden porösen Skelett und der Rohrwand eine sehr gute wärmeleitende Verbindung besteht, damit die von den Whiskern, den Fäden oder dem Skelett aufgenommene Wärme rasch an die Rohrwand bzw. an das durchströmende Medium abgegeben wird. Wenn die genannte wärmeleitende Verbindung durch Abscheiden von Metall mittels thermischer Zersetzung einer Metallverbindung hergestellt wird, indem das Rohr mit den Whiskern, Fäden oder dem Skelett auf die Zersetzungstemperatur der betreffenden Metallverbindung erhitzt und diese Metallverbindung durch das Rohr hindurchgeführt wird, erfolgt eine Metallabscheidung nicht nur im Bereich der Berührung der Whisker, Fäden oder des Skeletts mit der Rohrwand, sondern auch auf den Whiskern, den Fäden bzw. in den Poren des Skeletts. Da zur Erzielung einer gut wärmeleitenden Verbindung eine gewisse Mindestabscheidung an Metall erforderlich ist, werden die Zwischenräume zwischen den Whiskern oder Fäden bzw. die Poren des Skeletts durch die Metallabscheidung verengt, was zu erhöhten Strömungswiderständen führt. Dies ist in vielen Fällen unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Metallabscheidungsprozeß so zu steuern, daß der Bereich der Metallabscheidung im wesentlichen auf die Verbindungszone zwischen den Whiskern, den Fäden bzw. dem Skelett und der Rohrwand beschränkt bleibt, um einerseits eine gut wärmeleitende Verbindung zu schaffen, andererseits jedoch ein Ansteigen des Strömungswiderstandes gering zu halten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Metallverbindung im gekühlten Zustand zugeführt wird, daß die Zersetzungstemperatur an der Rohrwand möglichst hoch gewählt und nur kurzzeitig aufrechterhalten wird und daß die Strömungsgeschwindigkeit der Metallverbindung durch den porösen Körper hindurch so gesteuert wird, daß ein Wärmeübergang auf dessen weiter im Inneren des Rohres liegende Bereiche durch ausreichende Wärmeabfuhr weitgehend verhindert und die für die Zersetzung der Metallverbindung innerhalb des Rohres zur Verfügung stehende Zeit so verkürzt wird, daß vollständige Zersetzung und damit stärkste Metallabscheidung nur in den heißesten Zonen unmittelbar an den Berührungsstellen des porösen Körpers mit der Rohrwand erfolgen kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geiingi es also, eine dicke Metallabscheidung im Bereich der Rohrwand und somit eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen dem porösen Körper und der Rohrwand herzustellen, ohne die Zwischenräume oder Poren des

porösen Körpers durch Metallabscheidung wesentlich zu verengen.

Aus der GB-PS 7 49 302 ist es zwar bekannt, daß bei derartigen Metallisierungsverfahren die strömende Metallverbindung einen beträchtlichen Kühleffekt hat und daß sich durch geeignete kurzzeitige bzw. örtlich fortschreitende Erhitzung eine gewisse Beschränkung der Zersetzungszone erreichen läßt. Zu diesem Zweck wird dort beispielsweise der zu metallisierende Artikel zunächst auf die Zersetzungstemperatur der Metallverbindung erhitzt, und um konstante Reaktionsbedingungen an jeder Abscheidestelle zu erhalten, werden Hitze und Metallverbindung abwechselnd in schneller Aufeinanderfolge jedem Abschnitt der zu metallisierenden Oberfläche zugeführt. Die dort vorgeschlagene intermittierende Erwärmung soll jedoch lediglich den durch die Zersetzung und den Wärmeübergang auf das Metallisierungsgas hervorgerufenen Wärmeentzug wieder wettmachen, damit eine Abkühlung der Rohrwand unter die notwendige Zersetzungstemperatur vermieden wird. Dies läuft auf ein Konstanthalten der Wandflächentemperatur allein durch die gesteuerte Wärmezufuhr hinaus, ohne daß dabei auf die Strömungsgeschwindigkeit des Metallisierungsgases ein besonderes Augenmerk gelegt wird. Die Einwirkungsdauer der Zersetzungstemperatur auf das Metallisierungsgas ist dort in jedem Fall groß genug, um auch bei relativ niedrigen Wandtemperaturen eine vollständige Zersetzung herbeizuführen und die dort gewünschte feinkörnige, homogene Metallbeschichtung zu erreichen. Praktisch wird bei diesem bekannten Verfahren versucht, die Wandoberfläche auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau zu halten, damit sich das Metallisierungsgas nicht schon vor der Berührung mit der Oberfläche so stark aufwärmt, daß eine vorzeitige Zersetzung und damit ein Ausfall von Metallstaub eintritt.

Dies ist mit der Erfindung nicht vergleichbar, denn hier will man in einer sehr eng begrenzten Verbindungszone zwischen einem porösen Körper und der Metallrohrwand eine in der Schichtdicke im Mikrometerbereich liegende Metallabscheidung erzielen, und zwar ohne Rücksicht auf deren Gefügestruktur und allein zu Verbindungszwecken. Für diesen Zweck kommt es aber im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren darauf an, eine relativ hohe Erhitzung der Rohrwand vorzunehmen. Die Breite der Metallisierungszone wird dabei in erster Linie durch eine verhältnismäßig große Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, die einerseits zu einer starken Kühlung der weiter innen liegenden Bereiche des porösen Körpers führt und andererseits eine Meta'.labscheidung noch in denjenigen Bereichen verhindert, in denen die Bedingungen dafür an sich noch gegeben wären. Durch das bewußte Erhitzen der Rohrwand auf eine sehr hohe Temperatur und die gleichzeitige gesteuerte Kühlung der nicht zu metallisierenden Bereiche durch die groß^ Strömungsgeschwindigkeit des Metallisierungsgases, die gleichzeitig auch die Einwirkungsdauer der Zersetzungstemperatur auf das Gas stark herabsetzt, werden die Zeit- und Temperaturabhängigkeit des Umfanges der Zersetzung der thermisch zersetzbaren Metallverbindung in dem Sinne ausgenützt, daß das Abscheiden von Metall im wesentlichen auf den Bereich der inneren Rohrwand sowie die unmittelbar daran anliegenden Abschnitte des porösen Körpers beschränkt bleibt, weil nur dort die für eine schnelle Zersetzung notwendigen, sehr hohen Zersetzungstemperaturen vorliegen.

Zum kurzzeitigen Aufrechterhalten der Zersetzungstemperatur soll in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Erhitzen der Rohrwand von dem Ende des Rohres, an dem die Metallverbindung zugeführt wird, zum anderen Ende hin örtlich fortschreitend erfolgen.

Dieses Prinzip der fortschreitenden Erhitzung ist im Zusammenhang mit einem anderen Verfahren an sich bekannt (GB-PS 8 22 073), bei dem zur Metallisierung der Innenseite eines Rohres das Rohr abschnittsweise auf die Zersetzungstemperatur einer thermisch zersetzbaren Metallverbindung erhitzt und diese Metallverbindung fortlaufend durch das Rohr hindurchgeführt wird. Es dient dort dem Zweck, allein über die Relativgeschwindigkeit zwischen Rohr und Heizquelle die Dicke der Beschichtung zu steuern. Eine Beeinflussung der Abscheidung durch die Strömungsgeschwindigkeit des Metaliisierungsgasstromes ist im übrigen hierbei nicht angesprochen.

Die Metallverbindung kann in an sich bekannter Weise (GB-PS 7 63 411) im Kreislauf durch das Rohr gepumpt werden, wobei sie laufend nach Verlassen des Rohres wieder gekühlt, von den gasförmigen Spaltprodukten befreit und durch Verdampfen weiterer Metallverbindung erneut angereichert wird.

Bei Erhitzen der Rohrwand durch eine Induktionsspule kann die gewünschte kurzzeitige Erhitzung jeder Stelle der Rohrwand dadurch erreicht werden, daß die Stromzuführung zu der Induktionsspule intermittierend erfolgt, so daß in den Pausen zwischen den Erhitzungsperioden die Wärme von der durchströmenden Metallverbindung abgeführt werden kann, ohne daß eine nennenswerte Metallabscheidung innerhalb des porösen Körpers eintritt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung beispielshalber schematisch dargestellt.

Bei diesem Beispiel soll als Metallverbindung Nickeltetracarbonyl verwendet werden, dessen Verdampfungstemperatur bei -1-42° C und dessen Zersetzungstemperatur zwischen etwa 170 und 25O⁰C liegt, wobei bei der niedrigeren Temperatur die Zersetzung langsamer vor sich geht, jedoch ein feinkörnigerer Metallniederschlag entsteht als bei der höheren Temperatur.

Mit 1 ist ein Wärmetauscherelement bezeichnet, das aus einem metallischen Rohr 2 besteht, welches einen porösen Körper 3 enthält, der gut wärmeleitend mit der inneren Rohrwand verbunden werden soll. Dieser poröse Körper 3 kann aus zunächst losen polykristallinen Metallwhiskern oder metallisierten Nichtmetallfäden, beispielsweise aus Quarz, Glas, Kohle, Graphit oder Keramik (AI2O3) oder aus einem vorgeformten porösen Skelett aus solchen Whiskern oder Fäden bestehen.

Das Rohr 2 ist an beiden Enden durch Deckel 4 und 5 verschlossen. In den Deckel 4 mündet eine Zuleitung 6 für ein Gasgemisch, das dampfförmige, thermisch zersetzbare Metallverbindung sowie ein inertes Trägergas, z. B. Stickstoff, enthält, das zu Beginn des Prozesses bei 6a in den Kreislauf eingespeist wird. Von dem Deckel geht eine Ableitung 7 aus, durch die ein Gasgemisch, bestehend aus Trägergas, nicht zersetzter Metallverbindung und gasförmigen Spaltprodukten der zersetzten iviciaüverbändung, abgeführt wird. Die nur kurzzeitige Erhitzung jeder Stelle des Rohres 2 im Bereich des porösen Körpers 3 auf eine Temperatur, bei der die gewünschte Zersetzung der Metallverbindung an der inneren Rohrwand stattfindet, erfolgt mittels einer Induktionsspule 8, die das Rohr 2 umgibt und

entsprechend dem Pfeil P von dem einen Ende des porösen Körpers 3, an welchem die Zuführung der Metallverbindung erfolgt, entlang dos Rohres 2 bis zum anderen Ende des porösen Körpers 3 geführt wird. Die Induktionsspule 8 bewirkt eine kurzzeitige, örtlich begrenzte Erhitzung der inneren Rohrwand und des daran angrenzenden Bereiches des porösen Körpers 3 auf eine Temperatur, bei der die gewünschte Metallabscheidung eintritt.

Das Gasgemisch wird mittels einer Pumpe 9 im Kreislauf durch den porösen Körper 3 gefördert. Trägergas, nicht zersetztes dampfförmiges Nickeltetracarbonyl und gasförmige Spaltprodukte des im Rohr 2 zersetzten Carbonyls werden durch die Ableitung 7 einem Kühler 10 zugeführt, wo das Gasgemisch bis nahe an die Verdampfungstemperatur des Nickeltetracarbonyls, also bis nahe 42°C abgekühlt wird. Von dem Kühler 10 wird das gekühlte Gasgemisch einem geschlossenen Gefäß 11 zugeführt, das eine z. B. elektrische Heizung 12 aufweist und in dem durch den Einfülltrichter 11a eingeführtes flüssiges Nickeltetracarbonyl durch Erwärmen auf 20 bis 42°C verdampft wird, und zwar in einer solchen Menge, daß das Gasgemisch nach dem Verlassen des Gefäßes 11 wieder den gewünschten Gehalt an dampfförmiger Metallverbindung aufweist. Das Gefäß 11 ist durch eine Leitung 13 mit der Pumpe 9 und mit der Zuleitung 6 verbunden.

Durch die Zersetzung des Nickeltetracarbonyls steigt der Druck in dem Kreislauf, da pro Mol Nickeltetracarbonyl vier Mol CO freiwerden. Um den Druck konstant zu halten, ist ein Überdruckventil 14 vorgesehen, das mit dem Kreislauf über eine Leitung 15 in Verbindung steht. Um ein Entweichen von dampfförmigem Nickeltetracarbonyl über das Ventil 14 möglichst weitgehend zu verhindern, ist in der Leitung 15 ein Kühler 16 vorgesehen, in dem das durchströmende Gasgemisch mindestens auf die Kondensationstemperatur des Nickeltetracarbonyls, in der Praxis auf etwa — 20°C, abgekühlt wird. Das nun flüssige Carbonyl fließt in das Gefäß 11 zurück.

Da der Umfang der Zersetzung einer thermisch zersetzbaren Metallverbindung zeit- und temperaturabhängig ist, eine vollständige Zersetzung in kurzer Zeit also nur bei verhältnismäßig hohen Temperaturen erreicht wird, findet ein Abscheiden von Metall vornehmlich im Bereich der inneren Rohrwand und auf den daran anliegenden Abschnitten der Whisker, der metallisierten Fäden oder des vorgeformten Skelettes statt, während im übrigen Bereich des porösen Körpers nur eine geringfügige Zersetzung stattfindet, da dieser übrige Bereich durch die durchströmende kühle Metallverbindung (Al₂O₃). Die Metallabscheidung in diesem übrigen Bereich kann durch die Eintrittstemperatur der Metallverbindung sowie durch die Strömungsgeschwindigkeit so gesteuert werden, daß gerade eine für die Verbindung der einzelnen Wisker oder Fäden wünschenswerte Metallbeschichtung erfolgt. Im Bereich der inneren Rohrwand dagegen wird ein dicker Metallniederschlag erreicht, der die gewünschte gute wärmeleitende Verbindung zwischen dem porösen Körper 3 und der inneren Rohrwand ergibt.

Vorzugsweise erfolgt die Stromzuführung zu der Induktionsspule 8 intermittierend, so daß in den Pausen zwischen den Erhitzungsperioden die Wärme von dem durchströmenden Gasgemisch abgeführt werden kann, ohne daß eine nennenswerte Metallabscheidung in dem porösen Körper 3 erfolgt.

Als thermisch zersetzbare Metallverbindung eignet sich neben Nickeltetracarbonyl vor allem Eisenpentacarbonyl, das eine Verdampfungstemperatur von 102⁰C und eine Zersetzungstemperatur zwischen 170 und 250⁰C aufweist. Demzufolge wird bei der Verwendung von Eisenpentacarbonyl das Gasgemisch in dem Kühler 10 bis nahe 105⁰C und in dem Kühler 16 auf etwa — 20⁰C abgekühlt. Die Temperatur in dem Gefäß 11 wird bei Eisenpentacarbonyl auf 50 bis 105°C gehalten.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen thermisch zersetzbaren Metallverbindungen, beispielsweise Cobaltcarbonyl, Chromcarbonyl, Wolframcarbonyl, Molybdäncarbonyl sowie Metall-Acetylacetonaten, z. B. Nickel- Acetylacetonat, oder Dicumenchrom, durchgeführt werden.

Das fertige Wärmetauscherelement kann beispielsweise zum raschen Erhitzen von Gasen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Aerosolen verwendet werden, welche durch den porösen Körper 3 hindurchgepumpt werden, wobei die Erhitzung des Rohres 2 beispielsweise durch eine elektrische Heizwicklung erfolgt. Derartige Wärmetauscher sind beispielsweise in der DT-PS 12 88 705 beschrieben.

Auf die gleiche Weise wie vorstehend für ein Wärmetauscherelement beschrieben, kann auch ein Wärmeübertragungselement, insbesondere ein sogenanntes Wärmerohr, hergestellt werden, bei dem es wiederum auf eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Rohr und dem Kapillarsystem, insbesondere im Bereich des wärmeaufnehmenden und des wärmeabgebenden Endes des Wärmerohres, ankommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einel· Wärmetauscher- oder Wärmeübertragungselementes, bei dem ein poröser Körper in Form von polykristallinen Metallwhiskern oder metallisierten Nichtmetallfäden oder eines aus solchen Whiskern oder Fäden bestehenden porösen Skeletts in ein metallisches Rohr gebracht und durch Abscheiden eines Metalls mittels thermischer Zersetzung einer Metallverbindung mit der Rohrwand metallisch verbunden wird, indem man die Rohrwand auf eine Temperatur im Zersetzungstemperaturbereich der Metallverbindung erhitzt, die Metallverbindung in Dampfform laufend an einem Ende des Rohres zuführt, durch den porösen Körper strömen läßt und nicht zersetzte Metallverbindung sowie gasförmige Spaltprodukte der zersetzten Metallverbindung am anderen Ende des Rohres abführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung im gekühlten Zustand zugeführt wird, daß die Zersetzungstemperatur an der Rohrwand möglichst hoch gewählt und nur kurzzeitig aufrechterhalten wird und daß die Strömungsgeschwindigkeit der Metallverbindung durch den porösen Körper (3) hindurch so gesteuert wird, daß ein Wärmeübergang auf dessen weiter im Inneren des Rohres (2) Hegende Bereiche durch ausreichende Wärmeabfuhr weitgehend verhindert und die für die Zersetzung der Metallverbindung innerhalb des Rohres (2) zur Verfügung stehende Zeit so verkürzt wird, daß vollständige Zersetzung und damit stärkste Metallabscheidung nur in den heißesten Zonen unmittelbar an den Berührungssteiler! des porösen Körpers (3) mit der Rohrwand erfolgen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum kurzzeitigen Aufrechterhalten der Zersetzungstemperatur das Erhitzen der Rohrwand von dem Ende des Rohres (2), an dem die Metallverbindung zugeführt wird, zum anderen Ende hin örtlich fortschreitend erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung im Kreislauf durch das Rohr (2) gepumpt und dabei laufend nach Verlassen des Rohres (2) wieder gekühlt, von den gasförmigen Spaltprodukten befreit und durch Verdampfen weiterer Metallverbindung erneut angereichert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Erhitzen der Rohrwand durch eine Induktionsspule erfolgt, gekennzeichnet durch eine intermittierende Stromzuführung zu der Induktionsspule (8).

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