DE3118432C2

DE3118432C2 - Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf die Innenfläche eines aus siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid bestehenden Wärmerohres

Info

Publication number: DE3118432C2
Application number: DE19813118432
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.phys. 7990 Friedrichshafen Willmann
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1981-05-09
Filing date: 1981-05-09
Publication date: 1983-04-28
Also published as: DE3118432A1

Description

Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf die Innenfläche eines aus siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid bestehenden Wärmerohres.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf die Innenflächen eines mit einem Arbeitsmittel befüllbaren und betreibbaren, aus siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid bestehenden Wärmerohres.

Wie bekannt, ist ein Wärmerohr ein speziell als Wärmetauscher ausgebildetes Rohr, der bzw. das innerhalb kürzester Zeit Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke leitet. Ein solches Wärmerohr ist ein hermetisch abgeschlossenes gasdichtes Rohr, welches nach Reinigung und Evakuierung seines Innenraumes teilweise mit einer Flüssigkeit befüllt wird. Steht das eine Ende eines solchen Rohres mit einer Wärmequelle und sein anderes Ende mit einer Wärmesenke in Verbindung, so entsteht in seinem Inneren ein Kreisprozeß, bei welchem der an der Wärmequelle befindliche Teil der Flüssigkeit verdämpft und der dabei durch das Rohr strömende und an der Wärmesenke ankommende Dampf unter Abgabe der Kondensationswärme kondensiert wird. Das Kondensat gelangt von hier entweder durch Schwerkraft oder durch von auf der Innenfläche des Rohres angeordneten Rillen, oder durch einen im Rohr eingelegten Docht oder darin angeordnete Netze erzeugte Kapillarkräfte wieder zum anderen (kalten) Ende bzw. zur Wärmequelle zurück.

Derartige Wärmerohre bestehen, entsprechend der Erfordernis, aus verschiedenen Werkstoffen, wie Stahl, Aluminium, Kupfer bzw. deren Legierungen, refraktären Metallen, Glas, Aluminiumoxidkeramik sowie Siliziumkarbid. Die Auswahl des Werkstoffes ist hauptsächlich bestimmt von der vorgegebenen Betriebstemperatur des Wärmerohres und von der Korrosionswirkung des seine Außenseite umgebenden Mediums. Durch die Betriebstemperatur ist das Arbeitsmedium im Wärmerohr vorgegeben (vergl. z. B. P. D. Dünn, D. A. Reay »Heat Pipes«, Pergamon Preß 1976).

Damit ein Wärmerohr genügend lange funktionsfähig bleibt, muß eine chemische Reaktion zwischen dem Arbeitsmedium und der Rohrinnenfläche verhindert

werden. ■ . . - ■

Mögliche Reaktionen zwischen einem als Rohr dazu verwendeten Metall (Me) und als Arbeitsmedium Wasser (H₂O) sind z.B. Me+ 2 H₂O 4Me(OH)₂+H₂. Das hierbei entstehende nicht kordensierbare Reaktionsprodukt Wasserstoff sammelt sich-als-Gaspolster im oben (Wärmesenke) liegenden Teil ties Wärmerohres an und beeinträchtigt so dessen Funktion, was unter Umständen zum »Absterben« des Wärmerohres führt Für die äußere Korrosionsfestigkeit von Wärmerohren, z. B. bei Einsatz des Wärmerohres zur Rauchgasentschwefelung, bietet sich ein keramischer Werkstoff an, der aus mit technischem Silizium (Si) infiltriertem bzw. reaktionsgebundenem Siliziumkarbid (SiC) besteht Dieser Werkstoff (SiSiC) ist gegen den äußeren Angriff der im Rauchgas enthaltenen Folgeprodukte bzw. Folgestoffe des Schwefels korrosionsbeständig, wie beispielsweise Schwefelsäure und schwefelige Säure. Als Arbeitsmedium ist für eine solche Anwendung z. B.

Wasser geeignet. Eine weitere Möglichkeit zur Bildung eines Gaspolsters ist das Verdampfen von auf der rauhen Innenfläche des Wärmerohres haftenden Verunreinigungen, insbesondere von organischen Stoffen wie Fette und öle während des Betriebes. Die Reinigung der Innenfläche des Wärmerohres von vor allem organischen Verunreinigungen kann durch die Rauhigkeit des Materials SiSiC so aufwendig und kostenintensiv werden, daß sich eine Verwendung des Werkstoffes SiSiC nicht mehr lohnt.

Der Anteil des metallischen Siliziums im Werkstoff SiSiC liegt dabei im Bereich bis zu 30%. Der Werkstoff SiSiC zeichnet sich dadurch aus, daß er gasdicht ist und auch bei hohen Temperaturen, unter Umständen bis über 1000⁰C äußerst korrosionsbeständig ist und bis etwa 1350⁰C eine Biegefestigkeit von ca. 300 N/mm² besitzt.

Nachteilig ist dabei, daß aus Kostengninden für die Herstellung des Werkstoffes SiSiC Rohstoffe mit nur geringem Reinheitsgrad verwendet werden. Außerdem werden eine Reihe von Verunreinigungen als Abrieb bei der Aufbereitung durch Mahlen und bei der Verformung bzw. Formgebung eingeschleppt, z. B. durch Strangpressen vor der Silizierung. Die Reaktionen zwischen Wasser und dem SiSiC-Werkstoff sind demnach möglich und wurden auch beobachtet. Ein Langzeiteinsatz dieses Werkstoffs als Wärmerohr zusammen mit dem Arbeitsmedium Wasser ist wegen der damit verbundenen Korrosionsanfälligkeit nicht möglich.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die Innenflächen eines aus siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid bestehenden Wärmerohres mit einer korrosionsfesten Schicht zu versehen, welche eine Reaktion zwischen dem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser und dem Wärmerohr verhindert. Das Aufbringen einer solchen Schutzschicht sollte zudem einfach und kostensparend sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte beinhalten die Merkmale der Unteransprüche.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich vor dem Befüllen mit einem Arbeitsmittel des Wärmerohres durch das Glühen eines aus siliziuminfiltrierten Siliziumkarbid (SiSiC) bestehenden Wärmerohres bei Temperaturen zwischen 700 und 1400° C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre während einer bestimmten Zeitspanne die Oberfläche des SiSiC-Materials entgast und gereinigt wird und sich eine Schutzschicht bildet, welche

eine teils amorphe teils kristalline Oxidschicht (SiO₂) ist.

Diese Schutzschicht ist dicht, haftend und völlig homogen bedeckend. Ihre Struktur und Dicke, weiche nur wenige Mikrometer (μπι) beträgt, ist abhängig vom Verunreinigungsgrad des Ausgangswerkstoffes SiSiC.

Bevor ein aus dem Werkstoff SiSiC bestehendes Wärmerohr dem Glühprozeß unterzogen wird, ist es gründlich von anhaftenden Partikeln und Fett durch Spülen mit Wasser und fettlösenden organischen Mittel und unter Umständen Säuren u. ä. zu reinigen. Das anschließende Trocknen in sauberer Atmosphäre kann durch ein Beheizen, z.B. in einem Trockenschrank beschleunigt werden. Ist der Trocknungsprozeß beendet, wird das Wärmerohr in einem sauerstolihaltigen Gas, vorzugsweise in atmosphärischer und staubfreier Luft mit einem Sauerstoffpartialdruck über 10~⁸ bar geglüht Die Temperatur während des Glühprozesses sollte deutlich über 700° C, vorzugsweise bei ca. ICOO⁰C und nicht über 1400° C liegen. Die Dauer des Glühprozesses liegt im Bereich zwischen 0,5 und 10 Stunden.

Das Aufheizen und Abkühlen des Wärmerohres oder Bauteils kann entweder durch Einbringen in einen Ofen bei niederer Temperatur, z. B. Raumtemperatur und anschließendem Aufheizen des Ofens bzw. Abkühlen auf Raumtemperatur und anschließender Entnahme oder durch Ein- und Ausschieben in bzw. aus einem bereits auf Glühtemperatur vorgeheizten Ofen erfolgen. Dabei sind prinzipiell die maximal zulässige Aufheiz- und Kühlrate durch die Größe des Wärmerohres und die zulässigen thermischen Spannungen begrenzt

Da die Parameter für den Glühprozeß nur annähernd genau eingehalten werden müssen, bietet sich bei Einbringen des Wärmerohres bei niederer Temperatur in einen Ofen die Verwendung eines einfachst ausgerüsteten Ofenaggregats an, so daß in der Praxis die

ι Aufheizrate weniger durch die Bauteilgröße und die zulässigen thermischen Spannungen bestimmt sind, sondern durch die maximal erreichbare Aufheizrate des Ofens und seiner natürlichen Abkühlung. Dagegen ist beim Ein- und Ausschieben eines behandelnden Wärmerohres in einen vorgeheizten Glühofen die Schubgeschwindigkeit nur durch die zulässige Abkühlrate begrenzt weil beim Abkühlen auf der Außenseite des Wärmerohres Zugspannungen entstehen, welche zum Aufreißen der Schutzschicht führen. Als Richtwert

ι für die zulässige Geschwindigkeit beim Ausschieben bzw. Herausziehen des Wärmerohres gilt etwa 1-2 m/h.

Für eine Fügetechnik wie Löten oder Diffusionsschweißen sind die entsprechenden Bereiche des

■ Wärmerohres von der Schutzschicht leicht trenn- bzw. befreibar, indem diese Stellen durch eine nußsäurehaltige Lösung gezielt entfernt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf die Innenflächen eines mit einem Arbeitsmittel befüllbaren und betreibbaren, aus siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid bestehenden Wärmerohres, d a durch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr zwischen 0,5 und 10 Stunden lang in einem Temperaturbereich zwischen 7G0°C und 1400⁰C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre geglüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr bei ca. 1000⁰C in einer einen Sauerstoffpartialdruck von über 10~⁸ bar aufweisenden Atmosphäre geglüht wird. <

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr in atmosphärischer Luft geglüht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr in Durchschubtechnik geglüht wird.