DE2740399A1

DE2740399A1 - Verfahren zum herstellen einer verbesserten waermeuebergangsvorrichtung

Info

Publication number: DE2740399A1
Application number: DE19772740399
Authority: DE
Inventors: Robert Curtis Borchert
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-09-09
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1978-03-23
Also published as: BR7705964A; NL7709898A; US4101691A; ES462208A1; JPS5633441B2; IL52907A0; FR2364085A1; BE858533A; MX146353A; SE7710096L; DK401177A; JPS5333905A; IN147444B; NO773109L

Description

PATENTANWALT DIPL.-INC. GERHARD SCHWAN

»000 MÜNCHEN «3

L-11O3O-G

UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen .einer verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung, die aus einem Metallsubstrat und mit dem Substrat verbundenen, willkürlich verteilten Metallkörpern besteht.

Es sind Vorrichtungen mit verbessertem Wärmeübergang bekannt (US-PS 3 384 154), bei denen Metallteilchen übereinandergeschichtet und miteinander sowie mit einem Metallsubstrat einteilig verbunden sind, wodurch untereinander verbundene Poren von Kapillargröße ausgebildet werden. Es handelt sich dabei um eine Mehrlagenoberfläche, die dazu dient, die Siedewärmeübergangszahlen für Fluide mit niedriger Oberflächenspannung oder hoher Oberflächenspannung zu verbessern. Zur Anwendung bei Fluiden mit relativ hoher Oberflächenspannung oder für ein Sieden bei Unterdruck muß die bekannte poröse Siedeoberfläche einen verhältnismäßig

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FERNSPHtCHER: 089/6012039 KABEL ELECTMCPATENT MÜNCHEN

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großen effektiven Porenradius haben; um diesen zu erhalten, muß das Grundmetallpulver aus verhältnismäßig großen Teilchen bestehen. Die bekannte Oberfläche wird vorzugsweise in der Weise erzeugt, daß eine Grundmetallpulverkomponente, die letztlich das poröse Gefüge der Anordnung bildet, und eine Komponente aus einem niedrigerschmelzenden Hartlötpulver gemischt werden. Das trockene Gemisch der beiden Komponenten wird gleichzeitig auf ein mit Bindemittel beschichtetes Substrat aufgebracht und anschließend auf eine Temperatur und für eine Zeitspanne erhitzt, die ausreichen, um für eine metallische Verbindung zwischen dem Gefüge oder dem Grundmetallpulver und dem Substrat zu sorgen.

Das vorstehend genannte Vorgehen erfordert die Anwendung einer Hartlötkomponente, deren Teilchengröße recht klein gegenüber den Grundmetallteilchen ist. Kleine Hartlötmetallteilchen sind notwendig, um übermäßig hohe lokalisierte Konzentrationen an niedrigschmelzender Legierung zu vermeiden. Übermäßige örtliche Konzentrationen an dieser Komponente haben zur Folge, daß sich eine unerwünschte Menge an der Grundmetallkomponente oder des Substrats in der örtlichen schmelzflüssigen Hartlötlegierung löst. Dies kann seinerseits ein Kollabieren der Grundmetall-Gefügekomponente bewirken, wodurch es zu erheblichen unerwünschten Änderungen des effektiven Porenradius kommt. Außerdem kann das Substrat geschwächt oder durchdrungen werden, wenn eine unerwünschte Menge an Substratmetall in die schmelzflüssige Le-

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gierung an Stellen hoher Konzentrationen der Hartlötmetallkomponente in Lösung geht. Schließlich ist es bei dem obengenannten Verfahren zur Herstellung der Oberfläche unter Verwendung eines trockenen Gemischs von Pulvern mit weit unterschiedlichen Teilchengrößen schwierig, eine gleichförmige Mischung aufrechtzuerhalten, wahrend das gemischte Pulver auf die Substratoberfläche aufgebracht wird. Die Neigung der Grundmetall- und der Hartmetallkomponenten, sich während der normalen Handhabung und des Aufbringen des Gemischs zu trennen, führen zu einer ungünstigen Verteilung der Grundmetall- oder Gefügekomponente, zu einer unzureichenden Verbindung zwischen den einzelnen Teilchen und mit der Substratoberfläche sowie zu den vorstehend genannten metallurgischen Problemen, die mit hohen örtlichen Konzentrationen der Hartlötmetallkomponente verbunden sind.

Eine andere Art von verbesserter Wärmeübergangsvorrichtung mit Metallkörpern, die mit einem metallischen Substrat verbunden sind, ist in der von der Anmelderin am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichten Anmeldung "Verfahren und Vorrichtung für einen verbesserten Kondensationswärmeübergang" (entsprechend der USSN 721 862 vom 9. September 1976) beschrieben. Die dort erläuterte Oberfläche weist eine einzelne Schicht aus willkürlich verteilten Metallkörpern auf, die einzeln mit dem Substrat verbunden, voneinander in Abstand angeordnet und von dem Substrat im wesentlichen umgeben sind. Eine solche Vorrichtung eignet

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sich beispielsweise für die Verbesserung des Kondensationswärmeübergangs; sie kann aus einem Grundmetallpulver gefertigt werden, das durch ein Sieb mit einer Maschenweite von O,59 mm hindurchgeht und auf einem Sieb mit einer Maschenweite von O,42 mm zurückgehalten wird. Die Fertigung einer derartigen Oberfläche bietet ähnliche Probleme, wie sie oben für die Anordnung nach der US-PS 3 3Θ4 154 geschildert sind. Wiederum unterscheiden sich die TeilchengröSen von Grundmetallpulver und Hartlötmetallpulver erheblich voneinander.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung zu schaffen, die aus einem Metallsubstrat und mit dem Substrat verbundenen, willkürlich verteilten Metallkörpern besteht, wobei ein Hartlötmetallpulver verwendet wird, dessen größere Abmessungen wesentlich kleiner als diejenigen des Grundmetallpulvers sind, ohne daß die größeren Abmessungen des Grundmetallpulvers verringert werden. Bei dem Fertigungsverfahren soll es nicht zu einer Schwächung des Substratmetalls durch übermäßiges Lösen in der schmelzflüssigen Legierung kommen. Es soll ein gleichförmiges Gemisch aus Grundmetallpulver und Hartlötmetallpulver aufrechterhalten werden, während das Gemisch auf das Metallsubstrat aufgebracht wird.

Das Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Wärmeüber-

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gangsvorrichtung, bestehend aus einem Metallsubstrat und mit dem Substrat verbundenen, willkürlich verteilten Metallkörpern ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundmetallpulver mit Teilchen, deren größere Abmessungen kleiner als 2,5 mm sind, vorgesehen und mit einem ersten flüssigen Bindemittel unter Bildung einer anhaftenden Masse in solchen Anteilen gemischt wird, daß das Gewichtsverhältnis von Grundmetallpulver zu erstem flüssigem Bindemittel zwischen 2O : 1 und 3O : 1 liegt. De"s weiteren wird ein Hartlötmetallpulver, dessen Schmelzpunkt unter dem des Grundmetallpulvers liegt und dessen Teilchen solche größere Abmessungen haben, daß das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver zwischen 1 : 6O und 1 : 3 beträgt, mit der anhaftenden Masse unter Bildung einer mit Hartlötmetall beschichteten Masse in einem solchen Gewichtsverhältnis gemischt, daß das Hartlötmetallpulver zwischen 10 und 3O % von Hartlötmetallpulver plus Grundmetallpulver ausmacht. Ein zweites flüssiges Bindemittel wird auf das Metallsubstrat aufgebracht, worauf die mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf das mit dem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtete Metallsubstrat aufgebracht wird. Die so gebildete Anordnung aus Metallsubstrat und mit Hartlötmetall beschichteter Masse wird ausreichend erhitzt, um das erste und das zweite Bindemittel zu beseitigen, das Hartlötmetall zu schmelzen und unter Bildung der Metallkörper für eine metallische Verbindung zwischen dem Grundmetall

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und dem Metallsubstrat zu sorgen.

Das Grundmetallpulver bildet das Hauptgefüge der fertigen Metallkörper; das Pulver ist in erster Linie derart bemessen, daß die gewünschte größere oder größte Abmessung der einzelnen Teilchen erhalten wird. Die größte Abmessung der Grundmetallpulverteilchen sollte 2,54 mm nicht überschreiten und vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,15 mm bis 1,52 mm liegen. Für die Einhaltung einer derartigen Teilchengröße kann durch eine Siebklassierung gesorgt werden.

Die anhaftend· Mas·· wird von den Grundmetallpulverteilchen gebildet, die einzeln mit einer dünnen Schicht aus dem ersten flüssigen Bindemittel bedeckt sind. Bei dem ersten flüssigen Bindemittel kann es sich um ein Einkomponentenmaterial handeln; vorzugsweise wird jedoch ein Mehrkomponentenmaterial verwendet. Eine notwendige Komponente ist eine organische Verbindung mit niedriger Flüchtigkeit, die die Grundmetallteilchen benetzen kann und die von den Grundmetallteilchen durch Verdampfen und/oder chemisches Zerlegen beseitigt werden kann, ohne daß auf den Metalloberflächen ein unerwünschter Rückstand verbleibt. Eine bevorzugte organische Verbindung mit niedriger Flüchtigkeit ist ein Isobutylenpolymer mit einem Molekulargewicht von mindestens ungefähr 9OOOO. Als weitere Komponente des ersten flüssigen Bindemittels kann eine Verbindung mit höherer Flüchtigkeit vorgesehen sein, die ein Lösungsmittel für die organische Komponente mit niedriger

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Flüchtigkeit bildet. Vorzugsweise wird als Verbindung mit höherer Flüchtigkeit Kerosin verwendet.

Die mit Hartlötmetall beschichtete Masse wird erhalten, indem das Hartlötmetallpulver mit der anhaftenden Masse gemischt wird, wodurch ein verhältnismäßig trockenes, fließfähiges pulverartiges Material ausgebildet wird. Das Hartlötmetallpulver besteht aus einem Metall oder einer Legierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem des Grundmetallpulvers, das für eine metallische Verbindung damit und mit dem Substrat sorgen kann. Seine Teilchengröße ist wesentlich kleiner als die des Grundmetallpulvers; sie wird als die größere Abmessung der Teilchen definiert. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver zwischen 1:30 und 1:3.

Unter "Teilerstarrung" wird ein Versteifen oder Aushärten des ersten flüssigen Bindemittels nach der Bildung der mit Hartlötmetall beschichteten Masse verstanden. Die Hartlötmetallteilchen haften dadurch an den Grundmetallteilchen fest an. Um für die Teilerstarrung zu sorgen, wird die mit Hartlötmetall beschichtete Masse vorzugsweise auf Temperaturen von 65°C bis 93°C erhitzt, um die stärker flüchtige Komponente des ersten flüssigen Bindemittels zu verdampfen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die beiliegende einzige

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Figur ist ein Blockdiagramm, das die verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens zeigt.

Wie in der Zeichnung angedeutet ist, wird ein Grundmetallpulver mit den gewünschten Teilchenabmessungen vorgesehen. Teilchen von verschiedener regelmäßiger oder unregelmäßiger Gestalt sind geeignet, beispielsweise Teilchen, deren Gestalt näherungsweise einer Kugel, einem Kubus, einem kurzen zylindrischen Stab, einem Rhombus oder einer Pyramide entspricht. Im allgemeinen ist es erwünscht, daß die Teilchen eine kompakte Form haben, d. h. daß die kleinste Abmessung sich von mindestens einer anderen Abmessung nicht stark unterscheidet. Beispielsweise ist im Falle eines kurzen zylindrischen Stabes, dessen Länge größer als der Durchmesser ist, die Länge die größere Abmessung. Für einen Rhombus der Länge L, der Breite W und der Höhe H, wobei H<W<L, ist die Länge L die größte Abmessung, während die Höhe H die kleinere Abmessung darstellt, die sich von der Breite W nicht stark unterscheiden »ollt·.

Die größere Abmessung der Grundmetallpulverteilchen sollte 2,54 mm nicht übersteigen und vorzugsweise im Bereich von 0,15 mm bis 1,52 mm liegen. Teilchen außerhalb dieser Bereiche lassen sich beseitigen, indem handelsüblich verfügbare •Pulver durch eine vorgewählte Gruppe von Maschensieben gesiebt werden. Statt dessen und insbesondere im Falle von relativ großen Grundmetallpulverteilchen lassen sich die Teil-

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chen mit gleichförmigen Abmessungen auch in der Weise herstellen, daß kurze Stücke von einem Draht mit gewünschtem Durchmesser abgeschnitten werden. Die obengenannten größeren Abmessungen ergeben sich im wesentlichen aus dem Betriebsverhalten der resultierenden Metallkörper, wenn diese in Vorrichtungen mit verbessertem Wärmeübergang vorgesehen und benutzt werden. Außerdem lassen sich Grundmetallteilchen, die kleiner als O,15 mm sind, für gewöhnlich in gleichförmiger, trockener Zumischung zu feinem Hartlötmetallpulver halten, ohne daß es zu einer unerwünschten Auftrennung kommt.

Zu geeigneten Werkstoffen für das Grundmetallpulver gehören beispielsweise Kupfer, Kupfer-Nickel-Legierungen (beispielsweise mit 7O bis 95 % Kupfer), Eisen, rostfreier Stahl (z.B. 3O4 oder 316) und Aluminium.

In einem ersten Mischvorgang wird dem Grundmetallpulver ein erstes flüssiges Bindemittel zugemischt. Bei dem ersten flüssigen Bindemittel kann es sich um ein Einkomponentenmaterial handeln; vorzugsweise wird mit einem Mehrkomponentenmaterial gearbeitet. Eine notwendige Komponente ist eine organische Verbindung mit niedriger Flüchtigkeit, die ausreichend fluid ist oder gemacht werden kann, um sich auf der Oberfläche der Grundmetallteilchen auszubreiten und diese zu benetzen. Vorzugsweise sollte die Komponente mit geringer Flüchtigkeit zur Teilerstarrung gebracht werden können, um die Hartlötmetallteilchen an den Grundmetallteilchen sicher und fest an-

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haften zu lassen. Schließlich muß die organische Komponente mit niedriger Flüchtigkeit von den Grundmetall teilchen beispielsweise durch Verdampfen und/oder durch chemisches Zerlegen entfernt werden können, ohne daß auf den Metalloberflächen ein unerwünschter Rückstand verbleibt. Zu geeigneten Arten von wenig flüchtigen organischen Komponenten gehören Polymere mit hohem Molekulargewicht und Verbindungen mit niedrigerem Molekulargewicht, die thermisch oder katalytisch polymerisiert oder vernetzt werden können, um Verbindungen mit höherem Molekulargewicht zu bilden. Eine bevorzugte organische Verbindung mit niedriger Flüchtigkeit ist ein Isobutylenpolymer mit einem Molekulargewicht von mindestens ungefähr 9OOOO, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen "Vistanex" (Enjay Chemical Company) auf dem Markt erhältlich ist. Als weitere Komponente des ersten flüssigen Bindemittels kann eine Verbindung mit höherer Flüchtigkeit vorgesehen sein, die ein Lösungsmittel für die organische Verbindung mit niedriger Flüchtigkeit bildet. Beispiele für Verbindungen mit höherer Flüchtigkeit sind Mineralspiritus, Toluol, Benzol und Wasser. Eine bevorzugte Verbindung mit höherer Flüchtigkeit ist Kerosin.

Durch das Mischen des ersten flüssigen Bindemittels und des Grundmetallpulvers wird eine anhaftende Masse erhalten, die aus Grundmetallpulverteilchen besteht, die einzeln mit einer dünnen Schicht aus anhaftendem, erstem, flüssigem Bindemittel überzogen sind. Die Menge und Konsistenz des mit dem

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Grundmetallpulver gemischten Bindemittels sind derart gewählt, daß das Bindemittel auf den Teilchenoberflachen intakt gehalten wird und nicht ablauft. Die Konsistenz der anhaftenden Masse laßt sich als halbbeweglich und hochviskos, jedoch nicht "gummiartig" beschreiben.

Es wird ferner ein Hartlötmetallpulver vorgesehen, das gleichfalls eine vorbestimmte größere Teilchenabmessung hat. Bei dem Hartlotmetallpulver handelt es sich um ein Metall oder eine Legierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem des Grundmetallpulvers, das mit dem Grundmetallpulver und mit dem Substrat eine feste metallische Bindung bilden kann. Die größere Abmessung der Hartlotmetallpulverteilchen ist so gewählt, daß das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver zwischen 1:60 und 1:3 und vorzugsweise zwischen 1:3O und 1 :3 liegt. Fur zahlreiche Anwendungen kann das Hartlotmetallpulver aus handelsüblich verfugbaren Pulvern bereitet werden, indem Teilchen ausgeschieden werden, die nicht durch ein Maschensieb mit einer Maschenweite von 0,044 mm hindurchgehen.

Das höhere Verhältnis von 1:3 für die größeren Abmessungen spiegelt Beschrankungen hinsichtlich der Fähigkeit des ersten flüssigen Bindemittels wider, die Hartlötmetallteilchen an den Grundmetallteilchen sicher festzuhalten. Außerdem bedeutet ein größeres Verhältnis eine größere Annahe-

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rung hinsichtlich der Abmessungen der beiden Komponenten, und es versteht sich, daß bei einem Verhältnis von 1:1 eine Paarung von einem Teilchen aus Grundmetall und einem Teilchen aus Hartlötmetall zu einem lokalisierten übermaßigen Gehalt an Hartlötmetall entsprechend 50 % der kombinierten Masse aus Grundmetall plus Hartlötmetall führen würde. Höhere Abmessungsverhältnisse kennzeichnen Pulvergemische, die eine gleichförmige Zusammensetzung in trockenem Zustand ohne Auftrennung aufrechterhalten können.

Am anderen Bereichsende führen Verhaltnisse der größeren Abmessungen von unter 1:6O leicht zu einem unzureichenden Hartlötmetallgehalt der mit Hartlötmetal1 beschichteten Masse. Dieser Mangel steht in Relation zu der geringen Oberflache von großen Grundmetal1 teilchen bezogen auf ihr Volumen oder ihre Masse. Eine unzureichende Anzahl von kleinen HartIotmetal1 teilchen haftet an dem begrenzten Oberflachenbereich des Grundmetalls an; der gewünschte Prozentsatz an Hartlötmetall wird nicht erhalten. Vorzugsweise wird mit Verhältnissen der größeren Abmessungen von über 1 :3O gearbeitet, um zu gewährleisten, daß Hartlötmetall in ausreichender Menge mit einzelnen Teilchen des Grundmetalls verbunden wird.

Für die Herstellung einer verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung mit einer einzelnen Schicht aus willkürlich, verteilten Metallkörpern wird das Verhältnis der größeren Ab-

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messungen vorzugsweise im Bereich von 1:18 bis 1:4 gehalten. In diesem Fall muß dem Hartlötmetallgehalt und der Hartlötmetallverteilung besondere Beachtung geschenkt werden, weil die Grundmetal1 teilchen mit dem Substrat einzeln verbunden sind und für die Abstützung der Teilchen keine Verbindungen mit benachbarten Teilchen herangezogen werden können.

Beispiele für geeignete Hartlötmetallpulver sind eine Kupferlegierung mit 8 % Phosphor, eine Nickellegierung mit 11 % Phosphor, eine Nickellegierung mit 13 % Chrom und 10 % Phosphor sowie eine Aluminiumlegierung mit 12 % Silicium. Es versteht sich, daß das Hartlötmetallpulver mit dem Grundmetallpulver und mit dem Substrat kompatibel sein muß, um mit diesen eine feste metallische Verbindung einzugehen.

Die in dem ersten Mischvorgang hergestellte anhaftende Masse wird mit dem Hartlötmetallpulver in einem zweiten Mischvorgang unter Ausbildung einer mit Hartlötmetall beschichteten Masse kombiniert. Die gegenseitige Verbindung der beiden Komponenten erfolgt derart, daß das Hartlötmetallpulver zwischen 10 und 30 Gew.% von Hartlötmetallpulver plus Grundmetallpulver ausmacht. Feste Bindungen werden für gewöhnlich erhalten, wenn dieses Verhältnis der Komponenten vorgesehen wird. Verhältnisse von weniger als 10 können zu einem örtlich unzureichenden Hartverlöten der Teilchen mit dem Substrat oder den benachbarten Teilchen führen. Verhältnisse

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von mehr als 30 % haben zur Folge, daß eine übermäßige Menge an Grundmetallteilchen und Substrat geschmolzen und in der schmelzflüssigen Legierung gelöst wird. Dies ist unerwünscht, weil es die Größe und den gegenseitigen Abstand der Grundmetall teilchen nachteilig beeinflußt und zu einer Schwächung der Substratwand führen kann. Vorzugsweise liegt der Gewichtsanteil des Hartlötmetalls zwischen 15 und 25 %.

Durch Mischen des Hartlötmetallpulvers mit der anhaftenden Masse wird ein verhältnismäßig trockenes, fließfähiges, pulverartiges Material erhalten, das keine nennenswerte Neigung zum Agglomerieren oder zum Anhaften an einer Behälterwand hat. Die typischen einzelnen Körper der mit Hartlötmetall beschichteten Masse bestehen aus einem großen Grundmetallteilchen, an dessen Oberfläche zahlreiche kleine Hartlötmetallteilchen anhaften. Durch das Anhaften der Hartlötmetallteilchen an den Grundmetallteilchen wird die für die anhaftende Masse kennzeichnende gegenseitige Anziehung der Teilchen im wesentlichen aufgehoben oder zerstört.

Es ist etwas überraschend, daß die kleinen Hartlötmetallteilchen an den großen Grundmetallteilchen trotz der Schleifwirkung fest anhaften bleiben, die während der normalen Handhabungsvorgänge, beispielsweise dem Umrühren, Gießen und Bewegen, auftritt. Kleine Teilchen haben die Neigung, zu agglomerieren oder Klumpen zu bilden; es könnte erwartet werden, daß diese Neigung in verstärktem Maße auftritt, wenn die

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Pulver in Gegenwart eines flüssigen Bindemittels gemischt werden. Überraschenderweise kommt es jedoch nicht in nennenswertem Umfang zu einer derartigen Agglomeration des aus kleinen Teilchen bestehenden Bestandteils. Wurden Klumpenbildung oder Agglomeration des Hartlotmetallpulvers auftreten, wurde die Hartlotmetallkomponente nicht richtig auf die Grundmetallteilchen verteilt; die Bindungen zwischen Grundmetallteilchen und Substrat wurden schwach und könnten leicht aufreißen. Außerdem würden Klumpen aus Lötmetallpulver zu lokalen übermäßigen Konzentrationen an einer niedrigschmelzenden Legierung führen, wodurch die Grundmetallteilchen und das Substrat örtlich übermäßig aufgeschmolzen wurden. Ein Kollabieren der Grundmetall teilchen durch übermäßiges Schmelzen beeinträchtigt stark das Wärmeübergangsverhalten der Vorrichtung. Ein übermaßiges Aufschmelzen des Substrats kann zu einer Schwächung oder Durchdringung der Wände fuhren, die die Fluide trennen, zwischen denen der Wärmeaustausch erfolgt.

Die bei dem zweiten Mischvorgang gebildete mit Hartlötmetall beschichtete Masse kann zur Teilerstarrung gebracht werden, um ein mögliches Abstreifen und Abtrennen der Hartlötmetallpulverteilchen von der anhaftenden Masse während der anschließenden Verfahrensschritte zu verhindern. Wenn das erste flüssige Bindemittel ein Lösungsmittel von höherer Flüchtigkeit, beispielsweise Kerosin, enthält, kann die Teilerstarrung dadurch herbeigeführt werden, daß die mit

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Hartlötmetall beschichtete Masse auf eine relativ niedrige Temperatur erwärmt wird, um das Lösungsmittel zu verdampfen, wodurch die plastische Zähigkeit des ersten flüssigen Bindemittels in der mit Hartlötmetall beschichteten Masse gesteigert wird. Das Erwärmen kann in einem Ofen mit Zwangsluftzuführung bei Temperaturen von 65°C bis 93°C mehrere
Stunden lang erfolgen, um die mit Hartlötmetall beschichtete Masse zur Teilerstarrung zu bringen. Eine Teilerstarrung bei höheren Temperaturen sollte nur in einer Inertgasatmosphäre (beispielsweise Stickstoff oder Argon) durchgeführt werden, um eine unerwünschte Oxydation der mit Hartlötmetall beschichteten Masse zu verhindern.

Wenn das erste flüssige Bindemittel eine organische Verbindung mit niedrigerem Molekulargewicht enthält, die zu Formen mit höherem Molekulargewicht vernetzen oder polymerisieren kann, wird die Teilerstarrung in der Weise herbeigeführt, daß auf thermischem und/oder katalytischem Wege die Bedingungen geschaffen werden, die erforderlich sind, um
die Formen mit höherem Molekulargewicht zu erzeugen. Statt dessen kann das erste flüssige Bindemittel auch eine thermoplastische organische Verbindung enthalten, wobei die
mit Hartlötmetall beschichtete Masse bei erhöhter Temperatur gebildet wird, so daß das Bindemittel verhältnismäßig
fluid ist. Die Teilerstarrung erfolgt dann durch Abkühlen
der mit Hartlötmetall beschichteten Masse auf Raumtemperatur.

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Obwohl in der Zeichnung ein gesonderter Verfahrensschritt für die Teilerstarrung dargestellt ist, versteht es sich, daß dafür eine eigene Verfahrensstufe nicht immer erforderlich ist.

Bei einigen Kombinationen von Komponenten und entsprechenden Anteilen derselben kann eine ausreichende Bindefestigkeit zwischen Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver beim zweiten Mischvorgang erhalten werden. So wurde beispielsweise eine Teilerstarrung unter Verwendung eines ersten flüssigen Bindemittels erreicht, das aus 50 % Isobutylenpolymer in Kerosin besteht und auf das Grundmetallpulver -in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 25:1 von Pulver zu Bindemittel aufgebracht wird. Die resultierende anhaftende Masse wird mit ausreichend Hartlötmetallpulver gemischt, damit die letztgenannte Komponente 20 % des Gesamtmetalls des Gemischs ausmacht. Die unmittelbar auf diese Weise erhaltene, • mit Hartlötmetall beschichtete Masse hat die gewünschte trockene, pulverartige Konsistenz bei fest anhaftenden Hartlötmetallteilchen.

Nunmehr wird ein Metallsubstrat vorbereitet, um die mit Hartlötmetall beschichtete Masse aufzunehmen, die mit dem Substrat eine metallische Bindung eingehen soll. Das Substrat kann jede beliebige Form oder Gestalt haben, die für den im Einzelfall durchzuführenden Wärmeaustausch geeignet ist; beispielsweise kann es sich um flache Platten oder um

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Rohre handeln. Ein bevorzugtes Substrat hat die Form eines rohrförmigen Elements; die mit Hartlötmetall beschichtete Masse kann auf dessen Innen- oder Außenfläche aufgebracht werden. Die Substratoberfläche, die die mit Hartlötmetall beschichtete Masse aufnehmen soll, wird vorzugsweise gereinigt, um Rost, Zunder und Fett zu beseitigen. Zu geeigneten Substratwerkstoffen gehören Kupfer, Kupfer-Eisen-Legierungen (z. B. mit 1 bis 2 % Fe), Kupfer-Nickel- Legierungen (z. B. mit 5 bis 3O % Nickel), Stahl, Nickelstahl mit 3,5 bis 9 % Nickel, rostsicherer Stahl (beispielsweise die Stähle 304 und 316) sowie Aluminium.

Zum Beschichten des Substrats wird ein zweites flüssiges Bindemittel vorgesehen. Das zweite flüssige Bindemittel kann ähnlich dem ersten flüssigen Bindemittel sein. Es sollte das Substrat frei benetzen und ein Anhaften der mit Hartlötmetall beschichteten Masse bewirken. Es sollte fließfähig sein oder sich beim Aufbringen egalisieren, um einen gleichförmigen Substratüberzug zu erhalten. Es sollte von dem Substrat und der mit Hartlötmetall beschichteten Masse beseitigt werden können, ohne daß ein Rückstand verbleibt, der für die Bindewirkung oder das Betriebsverhalten schädlich ist.

Der Vorgang des Bindemittelauftrags, bei dem das zweite flüssige Bindemittel auf das Substrat aufgebracht wird, kann auf verschiedenerlei Weise erfolgen, wobei die Auswahl des

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im Einzelfall verwendeten Vorgehens im allgemeinen durch die Form und Gestalt der zu beschichtenden Oberfläche beeinflußt wird. Oberflächen, von denen das Bindemittel frei ablaufen kann, können im Tauchverfahren beschichtet werden. Bei leicht zugänglichen Außenflächen kann das Bindemittel mit Vorteil aufgebürstet oder aufgewalzt werden. Im Falle von verhältnismäßig schwer zugänglichen Oberflächen, beispielsweise den Innenflächen von Rohren, wird das Bindemittel vorzugsweise aufgesprüht.

Falls erwünscht, kann das mit dem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtete Substrat weiter behandelt werden, um das aufgetragene Bindemittel einzudicken, wodurch der Überzug stärker viskos und "klebrig" gemacht wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein gewisser Anteil einer stark flüchtigen Komponente des Bindemittels verdampft wird.

Bei dem Verfahrensschritt, der in der Zeichnung mit "Aufbringen auf Substrat" bezeichnet ist, wird die mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf das mit dem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtete Substrat derart aufgebracht, daß die gewünschte Struktur aus Metallkörpern auf der Substratoberfläche erhalten wird.

Die Form, Konsistenz und Menge des zweiten flüssigen Bindemittels auf der Substratoberfläche im Augenblick des Aufbringens der mit Hartlötmetall beschichteten Masse ist wich-

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tig, weil es davon abhängt, ob eine einzelne Schicht oder eine Mehrfachschicht aus mit Hartlötmetall beschichteter Masse auf der Substratoberfläche verbleibt und dort festgehalten wird. Wenn das zweite flüssige Bindemittel nichtviskos und "wäßrig" ist und auf der Substratoberfläche in einer verhältnismäßig dicken Schicht vorliegt, werden Mehrfachlagen aus mit Hartlötmetall beschichteter Masse aufgebracht. Zu dem Anbringen von Mehrfachlagen kommt es auf Grund von Kapillarwirkung, wodurch eine zuvor zum Anhaften gebrachte Schicht derart voll gesättigt wird, daß sie anschließend eine weitere, darüber aufgebrachte Schicht festhält. Dies stellt einen Mechanismus dar, auf Grund dessen übereinandergeschichtete Mehrfachlagen aus mit Hartlötmetall beschichteter Masse gebildet werden können, um eine Oberfläche für verbesserten Siedewärmeübergang nach Art der US-PS 3 384 154 zu erzeugen.

Wenn das zweite flüssige Bindemittel nichtviskos und "wäßrig" ist und auf der Substratoberfläche in einer geeignet dünnen Schicht vorliegt, ist ungenügend flüssiges Bindemittel vorhanden, um die erste Lage aus mit Hartlötmetall beschichteter Masse zu durchtränken; weitere Lagen werden nicht festgehalten. Dies stellt einen Mechanismus dar, der es gestattet, eine Oberfläche mit einer einzelnen Schicht aus willkürlich verteilten Metallkörpern für einen verbesserten Kondensationswärmeübergang herzustellen. Die geringe Dicke des Bindemittels macht diesen Mechanismus für die Aus-

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bildung einer verbesserten Oberflache auf der Innenwand von rohrförmigen Substraten besonders geeignet.

Wenn das zweite flüssige Bindemittel recht viskos und klebrig gemacht wird, nachdem es auf die Substratoberfläche
aufgetragen ist, so daß es nicht durch Kapillarwirkung
über die Oberfläche der mit Hartlötmetall beschichteten
Masse gezogen wird, ist eine erste Lage aus mit Hartlötmetall beschichteter Masse nicht imstande, eine weitere darüber befindliche Lage festzuhalten. Dies stellt einen abgewandelten Mechanismus zur Erzeugung von Oberflächen mit einer einzelnen Schicht aus willkürlich verteilten Metallkörpern dar.

Die mit Hartlötmetall beschichtete Masse kann auf das mit
Bindemittel beschichtete Substrat unter Anwendung eines von verschiedenen Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise
durch Aufsprühen, Aufstreuen oder Aufgießen, oder indem das beschichtete Substrat durch ein Fließbett aus der mit Hartlötmetall beschichteten Masse hindurchgeführt wird. Die
Dichte (Masse je Einheit der Substrat fläche) läßt sich, wenn erwünscht, steuern, indem die Aufsprüh- oder Aufgießrate
dosiert oder die Verweildauer der Substratoberfläche in der Auftragzone entsprechend eingestellt wird.

Nach dem Aufbringen der mit Hartlötmetall beschichteten
Masse auf die Substratoberfläche wird das Substrat in einem

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Hartlötvorgang auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend hoch ist, um das erste und das zweite Bindemittel zu verdampfen, das Hartlötmetall zu schmelzen und für eine metallische Verbindung zwischen dem Grundmetall und dem Metallsubstrat zu sorgen. Die Temperatur sollte unter den Schmelzpunkten sowohl des Substrats als auch des Grundmetalls liegen. Dies kann in einem Ofen mit Temperaturregelung erfolgen, wobei in der Hochtemperaturzone vorzugsweise eine inerte oder reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird. Das Substrat verläßt dann die Hartlötzone und wird abgekühlt. Das resultierende Produkt stellt eine verbesserte Wärmeübergangsvorrichtung dar, die aus einem Metallsubstrat und aus mit dem Substrat verbundenen, willkürlich verteilten Metallkörpern besteht.

Für die Praxis eignen sich zahlreiche Kombinationen von Grundmetallpulver, Hartlötmetallpulver und Metallsubstrat. In der Tabelle I sind einige derartige Kombinationen beispielshalber zusammengestellt.

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TABELLE I

Grundmetallpulver

Kupfer

Kupfer + 5-3O % Nickel

Hartlötmetallpulver

Kupfer

Metallsubstrat

Kupfer

mit + 8% Phosphor mit ent- ent- Kupfer

weder Nickel weder + 1-2 % .Eisen

+ 11% Phosphor

Kupfer

+ 5-3O % Nickel

Stahl	mit	Nickel	mit	Kohlenstoff
	ent	+ 11 % Phosphor	ent	stahl
Kupfer	weder		weder
		Nickel		niedrigle
		+ 1O% Phosphor		giertem Stahl
		+13% Chrom		mit 3,5-9%
				Nickel
Stahl		Nickel		rostfreiem
		+ 11% Phosphor		Stahl 304
rostfreier	mit		mit	oder 316

Stahl 304 ent- Nickel ent- oder 316 weder +10% Phosphor weder

+ 13% Chrom

Aluminium

+ 12% Silicium

Aluminium

Eine Kombination der vorstehenden Tabelle, die von besonderem Vorteil ist, umfaßt ein kupferhaltiges Grundmetallpulver, ein Phosphor/Nickel-Hartlötmetallpulver und ein kupferhaltiges Metallsubstrat.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von drei Beispielen

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näher erläutert, bei denen unterschiedliche Arten von Vorrichtungen mit verbessertem Wärmeübergang hergestellt wurden, indem zunächst die mit Hartlötmetall beschichtete Masse zubereitet wurde.

BEISPIEL I

Eine einzelne Lage aus willkürlich verteilten Metallkörpern wurde mit der Innenwand eines rohrförmigen Substrats verbunden. Diese Einzelschichtoberfläche wurde hergestellt, indem zunächst Kupferpulver gesiebt wurde, um aus einem handelsüblich verfügbaren Kupferpulver AMAX "O" (Warenbezeichnung der American Metals Climax Inc.) ein klassiertes Pulvergemisch zu erhalten, das durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,297 mm hindurchging und auf einem Sieb mit einer Maschenweite von O.25O mm zurückgehalten wurde. Ein 2O7O g schwerer Teil dieses klassierten Pulvers wurde in eine große Verdampfungsschale eingebracht und dann mit 285 g einer Lösung aus 6 Gew.% Isobutylenpolymer (Vistanex LM-MS), 6 % Kerosin und 88 % Benzol aufgeschlämmt. Nach innigem Mischen wurde auf einer heißen Platte ausreichend Benzol verdampft, um eine anhaftende Masse aus Kupferteilchen und erstem flüssigem Bindemittel zu erhalten..

Eine Phosphor/Kupfer-Hartlötlegierung mit 92 Gew.% Kupfer und 8 Gew.% Phosphor, die 517 g wog und durch Sieben von Phosphorkupferpulver 15O1 (Bezeichnung der New Jersey Zinc

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Company) zum Beseitigen von allen Teilchen erhalten wurde, die größer als O.O44 mm waren, wurde der anhaftenden Masse aus Kupferbasisteilchen zugesetzt. Dabei war ein Verhältnis von 4 Gewichtsteilen Kupfer auf 1 Gewichtsteil Phosphorkupfer vorgesehen. Das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver zu Grundmetallpulver betrug ungefähr 1:7. Dies entspricht einer Teilchengröße des Grundmetallpulvers von 0,297 mm und einer Teilchengröße des Hartlötmetallpulvers von O.O44 mm. Nach gründlichem Mischen ließ man das resultierende Trockengemisch aus mit Phosphorkupfer beschichteten Kupfergrundmetallteilchen über Nacht bei Raumtemperatur stehen. Nach dieser Behandlung waren die Teilchen aus Phosphorkupfer-Hartlötlegierung auf der Oberfläche der Kupferteilchen gleichförmig verteilt; sie wurden dort mittels des Polyisobutylenüberzugs festgehalten. Das Pulver fühlte sich trocken an und war freifließend.

Ein Rohr aus einer Kupferlegierung CDA-192 (Bezeichnung der Copper Development Association) mit einem Innendurchmesser von 17,2 mm und einem Außendurchmesser von 18,7 mm wurde mit dem aus 30 % Polyisobutylen in Kerosin bestehenden zweiten flüssigen Bindemittel beschichtet, indem das Rohr mit dem Bindemittel gefüllt wurde, worauf man das Bindemittel aus dem Rohr ablaufen ließ, so daß auf der inneren Rohrwand ein dünner, anhaftender Innenfilm aus Bindemittel verblieb. Sodann wurden die Kupfergrundmetallpulverteilchen, die mit Phosphorkupfer beschichtet waren, durch das Rohr

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hindurchgegossen, wodurch die Innenfläche des Rohrs mit einer gleichförmigen einlagigen Schicht aus mit Hartlötmetall beschichteter Masse überzogen wurde.

Die Außenfläche des Rohrs wurde mit einer Mehrfachlage aus übereinandergeschichteten Kupferteilchen überzogen, die untereinander einteilig verbunden waren und in bekannter Weise (US-PS 3 384 154) untereinander verbundene Poren viDn Kapillargröße bildeten (poröse Siedeschicht). Das Rohr wurde dann bei 871⁰C 15 Minuten lang im Ofen in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak behandelt, abgekühlt und anschließend auf seine Wärmeübergangseigenschaften als verbesserte Wärmeübergangsvorrichtung untersucht.

Die Verbesserung des Übergangs von fühlbarer Wärme durch die oben erläuterte Versuchsvorrichtung wurde bestimmt, indem Kältemittel 12 (Dichlordifluormethan) bei 3,3 bar auf der Außenseite de· Rohrs zum Sieden gebracht und Wasser bei höherer Temperatur mit 2,7 m/s durch den Innenraum des Rohrs hindurchgeleitet wurde, dessen Oberfläche mit einer einzelnen Schicht aus willkürlich verteilten Körpern verbunden war. Die siedeseitige Wärmeübergangszahl war bekannt; sie wurde mit Hilfe einer gesonderten aber ähnlichen Siedeoberfläche unter den gleichen Bedingungen ermittelt. Die Daten des vorliegenden Versuchs wurden reduziert, indem der bekannte siedeseitige Wärmeübergangswiderstand und der Wandwiderstand herausgezogen wurden, um an Hand der Differenz

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die wasserseitige Übergangszahl für fühlbare Wärme zu ermitteln. Die Wärmeübergangszahl für fühlbare Wärme erwies sich als 2,55fach höher als die Übergangszahl, die bei ein'em Metallsubstrat mit glatter Oberfläche erhalten wurde.

Es ist festzuhalten, daß die Verwendung einer extrem flüchtigen Bindemittelkomponente, wie beispielsweise Benzol, steuerungstechnische Probleme mit sich bringt, die für gewöhnlich vermieden werden können, wenn Lösungsmittel von geringerer Flüchtigkeit, beispielsweise Kerosin, benutzt werden. Bei diesem Beispiel macht es die hohe Flüchtigkeit des Benzols schwierig, die Menge des flüssigen Bindemittels zu überwachen und zu regulieren, die in der anhaftenden Masse während des Verdampfens eines Teils des Benzols verbleibt. Des weiteren tritt eine fortgesetzte Verdampfung von Benzol während der Zugabe und des Mischens des Hartlötmetallpulvers sowie während des Auftragens der mit Hartlötmetall beschichteten Masse auf das Substrat auf. Falls nicht besondere Vorkehrungen getroffen sind, um diese fortgesetzte Verdampfung zu begrenzen, könnte ein gewisser Teil des Hartlötmetalls vom Grundmetall abfallen, bevor der Hartlötvorgang abgeschlossen ist. Spezielle Vorkehrungen zur Beschränkung der fortgesetzten Verdampfung und zur Aufrechterhaltung der restlichen Menge des ersten flüssigen Bindemittels innerhalb des Bereichs von 2O:1 bis 3O:1 von Grundmetallpulver zu erstem flüssigen Bindemittel können ein Abkühlen der anhaftenden Masse und der mit Hartlötmetall beschichteten Masse sowie

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das Handhaben der anhaftenden Masse und der mit Hartlötmetall beschichteten Masse in einer Atmosphäre mit einem hohen Benzoldampfgehalt einschließen.

Ein weniger kostspieliger und einfacherer Weg, dem oben erläuterten Problem zu begegnen, besteht darin, anstelle der gesamten Menge oder eines Teils des stark flüchtigen Lösungsmittels, beispielsweise Benzol, ein Lösungsmittel mit geringerer Flüchtigkeit, beispielsweise Kerosin, zu benutzen. Die bevorzugten Lösungsmittel sollten bei Raumtemperatur einen niedrigen Dampfdruck haben, so daß sich der Gehalt an restlichem Bindemittel in der anhaftenden Masse und in der mit Hartlötmetall beschichteten Masse während der bei der praktischen Anwendung des Verfahrens vorkommenden Verfahrensschritte und Zeitdauern nicht nennenswert ändert. Die Verwendung eines solchen bevorzugten Lösungsmittels ergibt sich aus dem Beispiel II.

BEISPIEL II

Eine L'inzelschicht aus willkürlich verteilten Metallkörpern wurde mit der Außenwand eines rohrförmigen Metallsubstrats verbunden, wobei die einzelnen Metallkörper in Abstand voneinander lagen und von dem Metallsubstrat im wesentlichen umgeben waren. Diese Einzellagenoberfläche wurde hergestellt, indem zunächst handelsüblich verfügbares Kupferpulver AMAX "O" gesiebt wurde, um ein klassiertes Pulver zu er-

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halten, das durch ein Maschensieb mit einer Maschenweite von 0,59 mm hindurchging und auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,42 mm zurückgehalten wurde. Ein 3OO g schwerer Teil des klassierten Pulvers wurde in eine Verdampferschale eingegeben und anschließend mit 15 g eines Gemischs aus 50 Gew.% Isobutylenpolymer (Vistanex LM-MS) und 50 % Kerosin gemischt. Nach gründlichem Mischen wurde eine anhaftende Masse aus Kupfergrundmetallteilchen und erstem flüssigem Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von 20 :1 von Grundmetall zu Bindemittel erhalten.

Ein Phosphor/Kupfer-Hartlötlegierungspulver aus 92 Gew.% Kupfer und 8 Gew.% Phosphor, das 150 g wog und durch Sieben von Phosphorkupferpulver 1501 (Bezeichnung der New Jersey Zinc Company) erhalten wurde, um alle Teilchen mit einer Teilchengröße von mehr als O.O44 mm zu beseitigen, wurde der anhaftenden Masse aus Kupfergrundmetallteilchen zugesetzt und gründlich gemischt, so daß eine trockene, freifließende Masse erhalten wurde. Bei dem Gemisch lag .das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallteilchen und Grundmetallteilchen bei ungefähr 1:35, basierend auf einer Teilchengröße des Grundmetalls von 0,59 mm und einer Teilchengröße des Hartlötmetalls von 0,044 mm. Diese mit Hartlötmetall beschichtete Masse wurde zur Teilerstarrung gebracht, indem sie über Nacht in einem Ofen mit Zwangsluftzufuhr auf 82 C erwärmt wurde. Nach dem Abkühlen wurde die mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf einem Sieb mit

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einer Maschenweite von O,177 mm gesiebt, um das überschüssige, feinere Phosphor/Kupfer-Hartlötmetallpulver zu beseitigen. Es wurden insgesamt 73 g überschüssiges Hartlötmetallpulver beseitigt, was zu einem Verhältnis von fast genau 4 Gewichtsteilen Kupfergrundmetallpulver zu 1 Gewichtsteil Phosphorkupferpulver in der mit Hartlötmetall beschichteten Masse führte. Nach dieser Behandlung waren die Teilchen aus Phosphor/Kupfer-Hartlötmetallpulver auf der Oberfläche der Kupfergrundmetallteilchen gleichmäßig verteilt; sie wurden dort durch das erste flüssige Bindemittel sicher festgehalten.

Ein Rohr aus sauerstoff freiem Kupfer mit hoher Leitfähigkeit, das einen Innendurchmesser von 16,7 mm und einen Außendurchmesser von 28,6 mm hatte, wurde mit einem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtet, das aus 33 Gew.% Polyisobutylen, 33 Gew.% Kerosin und 33 Gew.% Toluol bestand. Dieses Bindemittel wurde auf die Außenwand des Rohrs aufgestrichen, wodurch ein dünner, gleichförmiger Film gebildet wurde. Nach einem Trocknen von einigen Minuten bei Raumtemperatur zur Beseitigung von Toluol wurde die oben erläuterte, mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf die Außenfläche des Rohrs aufgestreut, wodurch eine einzelne Schicht aus gleichförmig verteilter, mit Hartlötmetall beschichteter Masse erzielt wurde. Das Rohr wurde bei 871°C 15 Minuten lang in einem Ofen in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak behandelt, abgekühlt und dann auf seine Wärme-

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ubergangseigenschaften als Vorrichtung mit verbessertem Wärmeübergang getestet.

Die Verbesserung des Kondensationswarmeübergangs, die mittels der erläuterten Testvorrichtung zu erzielen ist, wurde ermittelt, indem auf der Außenflache des Rohrs Dampf aus Kältemittel 114 (Dichlortetrafluordthan) kondensiert wurde. Das Rohr war lotrecht angeordnet und wurde gekühlt, indem im Inneren des Rohrs Kältemittel R-114 bei niedrigerem Druck zum Sieden gebracht wurde. Die Wärmezufuhr zu der R-114-Siedevorrichtung wurde variiert; die Temperatur der Rohrwand und die Kondensationstemperaturdifferenz wurden im eingeschwungenen Zustand gemessen. Die experimentell bestimmten Kondensationstemperaturdifferenzen fur diese verbesserte Wärmeübergangsvorrichtung im Vergleich zu den von Nusselt vorausgesagten Differenzen sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.

TABELLE II

Q/A Dampf-

kW/m Zusammensetzung

18,9 Kältemittel R-11 4

15,8 Kältemittel R-114

12,6 Kältemittel R-114

9,5 Kältemittel R-114

gemessen	Nusselt
ΔΤ °C	Δ T °C
6.1	30,0
4.7	23,3
3,4	14,4
2.3	11 .7

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Die Kondensationswärmeübergangszahl wird erhalten, indem der Wärmefluß gemäß Spalte 1 durch den Wert Δ Τ der Spalte 3 oder 4 dividiert wird. Es ist zu erkennen, daß der Kondensationswärmeübergang um einen Faktor von ungefähr 5 gegenüber der Voraussage von Nusselt für ein glattes Rohr verbessert wurde.

Es sei festgehalten, daß das gleiche erste flussige Bindemittel, wie in Beispiel II beschrieben, und das gleiche Vorgehen zur Bildung der mit Hartlötmetall beschichteten Masse vorteilhaft auch benutzt werden können, um die Innenflache mit verbessertem Wärmeübergang gemäß Beispiel I auszubilden .

BEISPIEL III

Eine Mehrfachlage aus willkürlich verteilten Metallkörpern zur Bildung einer porösen Schicht der aus der US-PS 3 384 154 bekannten Art wurde mit der oberen flachen Oberfläche einer scheibenförmigen Badsiede-Testprobe verbunden. Zur Herstellung der mehrlagigen Oberfläche wurde zunächst handelsüblich verfügbares Kupferpulver C-135 (Warenbezeichnung der U.S. Bronze Powders, Inc.) gesiebt, um zwei klassierte Pulver zu erhalten. Bei dem einen klassierten Pulver handelte es sich um all das Material, das auf einem Maschensieb mit einer Maschenweite von 2,83 mm zurückgehalten wurde. Das andere klassierte Pulver ging durch ein Sieb mit

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einer Maschenweite von 1,19 mm hindurch und wurde auf einem Sieb mit einer Maschenweite von 0,84 mm zurückgehalten. Gleiche Anteile dieser beiden klassierten Pulver wurden in einer Verdampferschale gemischt und anschließend mit einer ausreichenden Menge an verdünntem Isobutylenpolymer (Vistanex LM-MS), gelöst in Toluol (ungefähr 6 Gew.% Vistanex) aufgeschlämmt, um das Grundmetallpulver vollständig zu tränken. Das Toluol wurde bei Raumtemperatur verdampft, wodurch eine anhaftende Masse erhalten wurde,, die freifließend war. Das Tränken und Verdampfen gewährleistet eine durchgreifende Benetzung der Grundmetallteilchen; durch eine zweckentsprechende Menge und Verdünnung kann das erste flüssige Bindemittel, das in der anhaftenden Masse verbleibt, innerhalb des gewünschten Verhältnisbereichs von 2O:1 bis 30:1 von Grundmetall zu Bindemittel gehalten werden.

Phosphor/Kupfer-Hartlötmetallpulver aus 92 Gew.% Kupfer und. 8 Gew.% Phosphor, das erhalten wurde, indem Phosphorkupfer C-3O2 (Bezeichnung der US Bronze Powders, Inc.) gesiebt wurde, um alle Teilchen zu entfernen, die größer als 0,037 mm waren, wurde der anhaftenden Masse aus Kupfergrundmetallteilchen in einer Menge zugesetzt, die so berechnet war, daß in der mit Hartlötmetall beschichteten Masse ein Verhältnis von 4 Gewichtsteilen Grundmetall-Kupferpulver zu 1 Gewichtsteil Phosphorkupferpulver erzielt wurde. Bei einer solchen Behandlung waren die Teilchen des Phosphor/ Kupfer-Hartlötmetallpulvers auf der Oberfläche der Kupfer-

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grundmetal1 teilchen gleichmäßig verteilt; sie wurden dort durch das verbliebene erste flüssige Bindemittel sicher festgehalten.

Eine Scheibe aus sauerstofffreiem Kupfer mit hoher Leitfähigkeit von einem Durchmesser von ungefähr 66,7 mm und einer Dicke von 6,4 mm wurde auf der oberen flachen Seite mit einem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtet, das aus 30 Gew.% Polyisobutylen und 7O Gew.% Kerosin bestand.

Das Bindemittel wurde auf die Oberseite unter Ausbildung eines gleichmäßigen Films aufgestrichen. Sodann wurde die oben erläuterte, mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf die mit dem zweiten Bindemittel überzogene Oberfläche aufgebracht, wobei eine drei bis vier Teilchen dicke Mehrfachlage aus der mit Hartlötmetall beschichteten Masse gebildet wurde. Die scheibenförmige Versuchsprobe wurde in einer Atmosphäre aus reinem Wasserstoff auf 904 C erhitzt und dann rasch auf Raumtemperatur abgekühlt. Es wurde ein fest verbundenes, sehr grobes, poröses metallisches Gefüge erhalten. Die Probe wurde auf ihre Siedewärmeübergangseigenschaften in einem unter einem sehr niedrigen Druck stehenden Wassersiedemedium getestet.

Die Verbesserung des Siedewärmeübergangs der oben erläuterten Versuchsvorrichtung wurde bestimmt, indem Wasser bei 0,007 bar in einer Badsiede-Testvorrichtung zum Sieden ge-

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bracht wurde. Warme wurde der Unterseite der Testprobe auf elektrischem Wege zugeführt; die gemessene Wandoberflachentemperatur und die Siedetemperaturdifferenz wurden innerhalb eines Bereichs von Wurmeflüssen jeweils im eingeschwungenen Zustand bestimmt. Die Siedewarmeubergangszahl fur diese verbesserte Warmeübergangsvorrichtung betrug 1O,2 kW/m K

bei einem Warmefluß von 126 kW/m ; sie war 1,6 mal höher als unter entsprechenden Bedingungen bei einer glatten Kupferober flache.

Die größere Abmessung des Grundmetallpulvers, das im vorstehenden Beispiel III benutzt wird, laßt sich als das bewertete Mittel der beiden miteinander gemischten, klassierten Pulver bestimmen. Bei einer Teilchengroße von 2,83 mm für das eine Pulver und einer Teilchengröße von 1 ,19 mm fur das andere Pulver ergibt sich als arithmetischer Mittelwert für die größere Abmessung ein Wert von 2,00 mm, da gleiche Teile der beiden Pulver in dem Gemisch benutzt wurden. Das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver zu Grundmetallpulver betragt 1:56 bei einer Teilchengröße der Hartlötmetallteilchen von O,036 mm.

Es ist festzuhalten, daß ein großer Anteil des Grundmetallpulvers des Beispiels III (5ü %) eine größere Abmessung von 2,83 mm hatte, was, wenn dieser Anteil gesondert betrachtet wird, zu einem Abmessungsverhältnis mit dem Hartlötmetallpulver von 1:79 führt. Das Mischen dieser großen Teilchen

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mit kleineren Teilchen (1,19 mm) führte zu einem erheblich größeren mittleren Abmessungsverhältnis für das Gemisch, nämlich 1:56. Das geschilderte Vorgehen führte zu einer befriedigenden Festigkeit in der mehrlagigen porösen Siedeschicht des Beispiels III, vermutlich weil die großen Teilchen des Grundmetalls in dem Gefüge durch metallische Bindungen mit mehreren benachbarten Grundmetallteilchen festgelegt waren. Zwischen den Teilchen kommt es zu einer gemeinsamen Ausnutzung des Hartlötmetalls; dies wirkt einem Mangel an Hartlötmetall entgegen, der andernfalls für große, isolierte Grundmetall teilchen gegeben sein könnte, die nur mit der Substratoberfläche verbunden sind. In den Fällen der einlagigen Überflächen der Beispiele I und II sind derart kleine Abmessungsverhältnisse nicht ratsam, weil dort jede diskrete, mit Hartlötmetall beschichtete Masse die erforderliche Hartlötmetallkomponente aufweisen sollte, um für eine unabhängige Festlegung des Metallkörpers mit Bezug auf die Substratoberfläche zu sorgen.

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Nummer: Int. Cl.*: Anmeldetag: Offenlegungstag:

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8. September 1977 23. März 1978

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• 809812/0713

Claims

Ansprüche

J Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung, bestehend aus einem Metallsubstrat und mit dem Substrat verbundenen, willkürlich verteilten Metallkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein Grundmetallpulver mit Teilchen, deren größere Abmessungen kleiner als 2,5 mm sind, vorgesehen wird,

(b) das Grundmetallpulver mit einem ersten flüssigen Bindemittel unter Bildung einer anhaftenden Masse in solchen Anteilen gemischt wird, daß das Gewichtsverhältnis von Grundmetallpulver zu erstem flüssigem Bindemittel zwischen 20:1 und 30:1 liegt,

(c) ein Hartlötmetallpulver, dessen Schmelzpunkt unter dem des Grundmetallpulvers liegt und dessen Teilchen solche größere Abmessungen haben, daß das Verhältnis

■ der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver zwischen 1:60 und 1:3 beträgt, mit der anhaftenden Masse unter Bildung einer mit Hartlötmetall beschichteten Masse in einem solchen Gewichtsverhältnis gemischt wird, daß das Hartlötmetallpulver zwischen 10 und 3O % von Hartlötmetallpulver plus Grundmetallpulver ausmacht,

(d) ein zweites flüssiges Bindemittel auf das Metallsubstrat aufgebracht wird,

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(e) die mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf das mit dem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtete Metallsubstrat aufgebracht wird und

(f) das Metallsubstrat zusammen mit der mit Hartlötmetall beschichteten Masse ausreichend erhitzt wird, um das erste und das zweite Bindemittel auszutreiben, das Hartlötmetall zu schmelzen und unter Bildung der Metallkörper für eine metallische Verbindung zwischen dem Grundmetall und dem Metallsubstrat zu sorgen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hartlötmetall beschichtete Masse im Verfahrensschritt (e) als eine einzelne Lage derart aufgebracht wird, daß die Metallkörper des Verfahrensschritts (f) in Abstand voneinander liegen und von dem Metallsubstrat im wesentlichen umgeben sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen des Grundmetallpulvers größere Abmessungen zwischen 0,15 mm und 1,52 mm haben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als das erste flüssige Bindemittel ein Gemisch aus einem Isobutylenpolymer und Kerosin verwendet wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmetallpulver und das Grundmetallpulver Teilchen aufweisen, deren größere Abmessungen derart gewählt sind, daß das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver zwischen 1:18 und 1:4 liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmetallpulver und die anhaftende Masse in einem solchen Gewichtsverhältnis gemischt werden, daß das Hartlötmetallpulver zwischen 15 und 25 % von Hartlötmetallpulver plus Grundmetallpulver ausmacht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hartlötmetall beschichtete Masse vor dem Aufbringen auf das mit dem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtete Metallsubstrat gemäß dem Verfahrensschritt (e) zur Teilerstarrung gebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das teilweise Erstarren durch Erwärmen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hartlötmetall beschichtete Masse im Verfahrensschritt (e) als Mehrfach-

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lage aufgebracht und die Metallkörper gemäß Verfahrensschritt (f) aufeinandergeschichtet werden und aus den Metallkörpern eine poröse Schicht gebildet wird, bei der die Grundmetallteilchen unter Bildung von untereinander verbundenen Poren von Kapillargröße miteinander und mit dem Substrat einteilig verbunden sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite flüssige Bindemittel eine Komponente niedriger Flüchtigkeit und eine Komponente hoher Flüchtigkeit enthält und die Komponente hoher Flüchtigkeit im Anschluß an den Verfahrensschritt (d) und vor dem Verfahrensschritt (e) teilweise verdampft und von dem Metallsubstrat entfernt wird.
11. Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Wärmeübergangsvorrichtung, bestehend aus einem Metallsubstrat und willkürlich verteilten Metallkörpern, die mit dem Substrat in einer einzelnen Schicht einzeln verbunden, voneinander in Abstand angeordnet und von dem Substrat im wesentlichen umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein Grundmetallpulver mit Teilchen vorgesehen wird, deren größere Abmessungen zwischen 0,15 mm und 1,52 mm liegen,

(b) das Grundmetallpulver mit einem ersten flüssigen Bindemittel, das eine organische Polymerkomponente

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mit niedriger Flüchtigkeit und hohem Molekulargewicht sowie eine Lösungsmittelkomponente hoher Flüchtigkeit enthält, unter Bildung einer anhaftenden Masse in solchen Anteilen gemischt wird, daß das Gewichtsverhältnis von Grundmetallpulver zum ersten flüssigen Bindemittel zwischen 20:1 und 30:1 liegt,

(c) ein Hartlötmetallpulver, dessen Schmelzpunkt unter dem des Grundmetallpulvers liegt und dessen Teilchen solche größere Abmessungen haben, daß das Verhältnis der größeren Abmessungen von Hartlötmetallpulver und Grundmetallpulver zwischen 1:3O und 1:3 beträgt, mit der anhaftenden Masse unter Bildung einer mit Hartlötmetall beschichteten Masse in einem solchen Gewichtsverhältnis gemischt wird, daß das Hartlötmetallpulver zwischen 15 und 25 % von Hartlötmetallpulver plus Grundmetallpulver ausmacht,

(d) auf das Metallsubstrat ein zweites flüssiges Bindemittel aufgebracht wird, das eine organische Polymerkomponente mit niedriger Flüchtigkeit und hohem Molekulargewicht sowie eine Lösungsmittelkomponente von hoher Flüchtigkeit aufweist,

(e) die mit Hartlötmetall beschichtete Masse auf das mit dem zweiten flüssigen Bindemittel beschichtete Metallsubstrat aufgebracht wird, und

(f) das Metallsubstrat zusammen mit der mit Hartlötmetall beschichteten Masse ausreichend erhitzt wird, um das erste und das zweite Bindemittel völlig zu beseitigen,

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das Hartlötmetall zu schmelzen und unter Bildung der Metallkörper für eine metallische Verbindung zwischen dem Grundmetall und dem Metallsubstrat zu sorgen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkörper ein Gemisch aus Kupfer als der größeren Komponente und Phosphor als einer kleineren Komponente
aufweisen.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkörper ein Gemisch aus Eisen als der größeren Komponente und Phosphor sowie Nickel als kleineren Komponenten aufweisen.

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