DE3011282C2 - Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Waermeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber. Der Absorber besteht im wesentlichen aus einer Innenwand aus gut waermeleitendem Werkstoff, in der von einem Kuehlmedium durchstroemte Kuehlkanaele vorgesehen sind, die von einer der Waerme ausgesetzten bzw. den Plasmastrahlen getroffenen Aussenwand, ebenfalls aus gut waermeleitendem Werkstoff, abgedeckt sind. Die Herstellung derselben erfolgt insbesondere galvanoplastisch, derart, dass die Kuehlkanaele mit elektrisch leitendem Wachs ausgefuellt werden, dann die Aussenwand aufgalvanisiert und anschliessend das Wachs ausgeschmolzen wird. Ein derartiger Waermeabsorber ist in erster Linie oertlichen thermischen Belastungen ausgesetzt. Handelt es sich um einen Plasmastrahlenabsorber, so wird dieser von extremen Strahlenschocks lokal getroffen, die auch zu grossen Waermedehnungen fuehren. Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, den Waermeabsorber gestaltungstechnisch so zu konzipieren, dass die durch die lokalen extremen Hitzeeinwirkungen unvermeidlichen Spannungen und die damit Hand in Hand gehenden Dehnungen ohne Schaeden fuer dieses Bauteil von diesem aufgenommen werden bzw. innerhalb desselben "verarbeitet" werden koennen. Geloest wird diese Aufgabe dadurch, dass die Aussenwand ueber den Kuehlkanaelen - in Richtung derselben betrachtet - einzelne Aufwoelbungen mit dazwischenliegenden Abstandsfeldern aufweist. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber, bestehend aus einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, in der von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle mit die Kühlkanäle begrenzenden durchlaufenden Stegen vorgesehen sind, die von einer der Wärme ausgesetzten bzw. den Plasmastrahlen getroffenen aufgalvanisierten Außenwand, ebenfalls aus gut wärmeleitendem Werkstoff abgedeckt sind.

Nach der DE-PS 17 51 691 sind Raketenbrennkammern bekannt, die im wesentlichen aus einer Grundstruktur bzw. einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer bestehen, in die längsverlaufende Kühlkanäle eingefräsi sind, die mit einer Außenwand, ebenfalls aus gut leitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, galvanisch abgedeckt sind. Dies geschieht in der Weise, daß nach dem Einfräsen der Kühlkanäle diese mit einem elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden, dann die Außenwand aufgalvanisiert und anschließend das Wachs wieder ausgeschmolzen wird.

Durch die Kanäle wird zum Abtransport der anfallenden Wärme eine kryogene Treibstoffkomponente durchgeleitet und so die Innenwand der Brennkammer während des Raketenbetriebs intensiv gekühlt und gleichzeitig die Treibstoffkomponente für die Einbringung in den Brennkammerkopf thermisch aufbereitet bzw. verdampft Während des Raketenbetriebes wird also die Innenwand thermisch hoch beansprucht, die durch ihre Stege festigkeitsmäßig versteift ist und daher im Verband mit der Außenwand gegen Verwerfungen ein hohes Widerstandsmoment aufweist Während es

to bei Raketenbrennkammern gilt über den Innenraum des ganzen Gehäuses annähernd gleichmäßig verteilt einen hohen Wärmeanfall mit abnehmendem Wärmegradienten nach der Schubdüse und einem relativ kühleren Bereich am Brennkammerkopf aufgrund der hier vorherrschenden Verdampfungskühlung aufzunehmen und wegzutransportieren, liegt das anmeldungsgemäße Problem hauptsächlich darin, daß der in Rede stehende Wärmeabsorber in erster Linie örtlichen thermischen Belastungen von außen her ausgesetzt ist. Handelt es sich um einen Plasmastrahlenabsorber, so wird dieser von extremen Strahlenschocks peripher lokal getroffen, die auch zu großen Wärmedehnungen führen.

Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht den Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorbar gestaltungstechnisch so zu konzipieren, daß die durch die von außen her lokalen extremen Hitzeeinwirkungen unvermeidlichen Spannungen und die damit Hand in Hand gehenden Dehnungen ohne Schäden für dieses Bauteil von diesem aufgenommen werden bzw. innerhalb desselben »verarbeitet« werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Außenwand über den Kühlkanälen nach außen weisende einzelne Aufwölbungen mit dazwischenliegenden Abstandsfeldern aufweist.

Durch die Erfindung ist die Gewähr gegeben, daß sich die dem extremen Wärmeanfall örtlich unmittelbar ausgesetzte Außenwand der Gesamtstruktur flächenmäßig in beiden Hauptrichtungen (Länge und Breite bzw. in Umfangsrichtung) und letzten Endes auch in Höhenrichtung, d. h. praktisch dreidimensional ohne Selbstzerstörung ausdehnen kann, wodurch sich ihre inneren Spannungen schadlos abbauen.

Dieses erfindungsgemäße Grundmuster läßt sich im Hinblick auf die beabsichtigte Wirkung in Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch steigern, daß die jeweils über einem Kühlkanal im Abstand hintereinander liegenden einzelnen Aufwölbungen in bezug auf die über den beiden jeweils benachbarten Kühlkanälen befindlichen einzelnen Aufwölbungen — in Längsrichtung der Kühlkanäle bzw. in Strömungsrichtung des Kühlmediums betrachtet — versetzt zueinander angeordnet sind.

Damit wird gestaltungstechnisch ein Spannungsabbau geometrisch auch schräg zu den beiden angegebenen Hauptrichtungen erleichtert bzw. möglich gemacht. Eine bevorzugte Bauweise eines erfindungsgemäßen Wärmeabsorbers bzw. eines Plasmastrahlenabsorbers besteht ferner darin, daß zum Aufgalvanisieren der Außenwand mit lichtem Abstand an die Innenwand diese viele einzelne Befestigungskörper als Stege aufweist, die im Abstand zueinander in Reihe quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums angeordnet sind.
Dabei können die Befestigungskörper der einen Rei-

b5 he zu den Befestigungskörpern der anderen Reihe in Strörnungsrichtung auf Lücke stehen und mit ihren Enden in diese Lücken noch hineinragen.
Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und

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gleichzeitigen Erhöhung des Wärmeaustauschgrades wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, die einzelnen Befestigungskörper stromlinienförmig auszubilden.

Durch die vorerwähnte Strukturierung der Außenwand mit Hilfe der einzelnen Befestigunjjskörper und deren Lokalisierung zueinander wird die Außenwand zur zerstörungsfreien Oberwindung des auftretenden Wärmeanfalles gestaltungstechnisch in besonders günstiger Weise vorpräpariert bzw. vorprogrammiert, insofern, als geometrisch bzw. flächenmäßig in jeder Richtung annährend gleiche DehnungsverhäJtnisse vorgegeben sind, die Spannungsspitzen nicht entstehen lassen, wodurch die Lebensdauer entscheidend erhöht wird.

Wie bereits angedeutet, findet der Erfindungsgegenstand insbesondere Anwendung zum Auffangen von Plasmastrahlen bei Fusionsreaktoren. Um die vorgeschlagene Struktur in diesem extremen Fall vor Überhitzung zu bewahren, wird die erfindungsgemäße Wandstruktur auf einem rotierenden Träger angeordnet, so daß jeweils der von den PlasmastralWen getroffene und hocherhitzte Wandbereich aus der Strahlung wieder herausgedreht wird und eine Umdrehung Zeit hat, sich von der Erhitzung wieder zu »erholen«, d. h. abzukühlen, wobei der Wärmeanfall vom durchströmenden Kühän-rediusn weggetragen wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt quer zur vorgeschlagenen Struktur,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die vorgeschlagene Struktur mit einer aufgebrachten Drahtwicklung zur nur bereichsweisen Fixierung der Außenwand,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der vorgeschlagenen Struktur,

Fig.4 die Ansicht eines zylinderförmigen Plasmastrahlenabsorbers mit der vorgeschlagenen Struktur als Außenmantel.

In einer Innenwand 1 aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, sind durchlaufend Kühlkanäle 2 vorgesehen bzw. eingearbeitet, die zur galvanoplastischen Aufbringung einer Außenwand 3 mit elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden. Dann wird die Außenwand 3, insbesondere gleichfalls aus Kupfer, galvanoplastisch aufgetragen, die gemäß der in F i g. 1 gezeigten zylindrischen Grundform bezüglich der Innenwand 1 und einer Triigerwand 4 zunächst ebenfalls durchgehend eine zylindrische Grundform aufweist. Durch die galvanoplastische Auftragung haftet die Außenwand 3 mit ihrer Innenfläche fest an den radial nach außen zeigenden Befestigungsflächen 5 der Stege 6.

Aus den in der Beschreibungseinleitung näher beschriebenen Gründen soH die Außenwand 3 mit Aufwölbungen 7 versehen werden. Dies kann z. B. so geschehen, daß auf der noch zylindrischen Außenwand 3 eine Drahtwicklung mit einzelnen Drahtwindunger. 8 aufgetragen bzw. aufgespannt wird, worauf das noch in den Kühlkanälen 2 befindliche Wachs erwärmt wird, das sich dabei stärker ausdehnt als die aus Metall, insbesondere Kupfer, gefertigte Innenwand 1 und Außenwand 3, wodurch sich zwischen den einzelnen Drahtwindungen 8 die Außenwand 3 aufbeult, so daß einzelne Aufwölbungen 7 entstehen, zwischen denen, durch die Drahtwindungen 8 erzwungen, Abstandsfelder 9 verbleiben.

Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Innenwand 11 stromlinienförmige Befestigungskörper 12a und 126 auf, die in Reihen Ri und /?2 angeordnet sind, wobei die Befestigungskörper 12a der Reihen R 1 zu den Befestigungskörpern 126 der Reihen R 2 auf Lücke stehen, und zwar so, daß die vorderen und hinteren Enden der Befestigungskörper 12a bzw. 126 — in Strömungsrichtung des Kühlmediums K gesehen — noch in die Lücken hineinragen. Zum Aufwölben der Außenwand 13 wird wiederum nach dem Galvanisieren derselben das Wachs im Kühlkanalsystem zwischen den einzelnen Befestigungskörpern 12a und 126 belassen und die Struktur aufgeheizt. Durch das stärkere Ausdehnen des Wachses gegenüber dem Metall der Innenwand 11 und der Außenwand 13 werden in letzterer zwischen den einzelnen Befestigungskörpern 12a bzw. 126 jeweils einer Reihe R 1 bzw. R 2 Aufwölbungen 17 erzeugt die, über die gesamte Fläche betrachtet, ineinander übergehen und an den Endbereichen der einzelnen Befestigungskörper 12a bzw. 126 niveaumäßig Einbeulungen 17a aufweisen, so daß flächenmäßig ein durchgehendes niveaumäßig unterschiedliches Aufwölbungssystem entsteht, das dem beabsichtigten Zweck der Spannungsabbaues praktisch voll entgegenkommt.

Wie aus F i g. 4 hervorgeht, ist die Wandstruktur auf einem drehbar gelagerten Zylinder 2TaIs Außenmantel angeordnet. Die Wärmestrahler insbesondere Plasmastrahlen sind dabei mit Pbezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber, bestehend aus einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, in der von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle mit die Kühlkanäle begrenzenden durchlaufenden Stegen vorgesehen sind, die von einer der Wärme ausgesetzten bzw. den Plasmastrahlen getroffenen aufgalvanisierten Außenwand, ebenfalls aus gut wärmeleitendem Werkstoff abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (3) über den Kühlkanälen (2) nach außen weisende einzelne Aufwölbungen (7) mit dazwischenliegenden Abstandsfeldern (9) aufweist

2. Wärmeabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils über einem Kühlkanal (2) im Abstand hintereinander liegenden einzelnen Aufwölbungen (7) in bezug auf die über den beiden jeweils benachbarten Kühlkanälen (2) befindlichen einzelnen Aufwölbungen (7) — in Längsrichtung der Kühlkanäle (2) bzw. in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) betrachtet — versetzt zueinander angeordnet sind.

3. Wärmeabsorber nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufgalvanisieren der Außenwand (13) mit Abstand an die Innenwand (11) diese viele einzelne Befestigungskörper (12a und 126^aIs Stege aufweist, die im Abstand zueinander in Reihen (R 1 und R 2) quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums f/ij angeordnet sind.

4. Wärmeabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungskörper (\2a) der einen Reihe (R 1) zu den Befestigungskörpern (12ty der anderen Reihe (R 2) in Strömungsrichtung auf Lücke stehen und mit ihren Enden in diese Lücken noch hineinragen.

5. Wärmeabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Befestigungskörper (12a und 126,) stromlinienförmig ausgebildet sind.