DE3301794A1

DE3301794A1 - Waermerohrdocht

Info

Publication number: DE3301794A1
Application number: DE19833301794
Authority: DE
Inventors: Joseph A. 01834 Groveland Mass. Buturlia
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1982-01-22
Filing date: 1983-01-20
Publication date: 1983-08-04
Also published as: IT1206312B; JPS58129191A; FR2520265A1; IT8319154A0

Description

Thermo Electron Corporation 19. Januar 1983

101 First Avenue ' T 4334

Waltham, MA 02254
USA

Beschreibung

Wärmerohrdocht

Die Erfindung betrifft einen Wärmerohrdocht und insbesondere die Herstellung eines solchen Dochtes, welcher an der Wand eine Wärmerohres haftet.

Wärmerohre sind seit vielen Jahren bekannt und werden in neuester Zeit vermehrt zur wirksamen Übertragung von Wärme von einer Quelle zu einem Anwendungspunkt, der von der Quelle entfernt angeordnet sein kann, verwendet. Ein Wärmerohr weist im allgemeinen einen Verdampfer auf, der über einen adiabatischen Ubergangsabschnitt mit einem Verflüssiger verbunden ist. In dem Wärmerohr ist ein Übertragungsströmungsmittel dicht eingeschlossen. Wenn dem Verdampfer Wärme zugeführt wird, verdampft das Übertragungsströmungsmittel und strömt über den Ubergangsabschnitt zu dem Verflüssiger, von welchem Wärme für irgendeinen gewünschten Zweck abgezogen worden kann. Nach dem Entzug von Wärme strömt das Übertragungsströmungsmittel, nunmehr in einem flüssigen Zustand, zurück vom Verflüssiger zum Verdampfer. Normalerweise werden Dochte verwendet, um die Rückkehr des verflüssigten Wärmeübertragungsströmungsmittels zum Verdampfer durch Kapillarwirkung zu unterstützen. Dochte sind besonders nützlich, wenn die Ausrichtung des Wärmerohraufbaus derart ist, daß die Schwerkraft der Rückführung des verflüssigten Strömungsmittels entgegensteht. Unter anderen Umständen, in welchen

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das Wärmerohr nicht in einer festgelegten Haltung gehalten wird wie z.B. auf einem sich bewegenden Fahrzeug, ist ein Docht für die Rückführung des Wärmeübertragungsströmungsmittel zum Verdampfer nützlich.
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In der US-PS 4 254 821 wird ein Wärmerohrenteisungsgerät für Schiffsbenutzung offenbart. Die dort beschriebenen Wärmerohre weisen eine Vielzahl von Durchflußkanälen für die gravimetrisch unterstützte Rückführung des Wärmetransportströmungsmittels zum Verdampfer trotz Stampfens und Schlingerns des Schiffes auf. Darüber hinaus weisen die Wärmerohre Dochte zur Unterstützung der Rückführung des Strömungsmittels auf. Die dort offenbarten Dochte können von herkömmlicher Art sein und bestehen z.B. aus einem Material wie einem Drahtsieb mit relativ feinem Raster oder gesintertem Metall.

Alternativ hierzu können die Wärmerohre einen Docht aus Metallmikrokugeln enthalten, welche mit der Innenwand des Verdampferabschnittes, mit . fölienbedeckten Nuten in der Wand des Ubergangsabschnittes und siebbedeckten Nuten in der Wand des Verflüssigerabschnitts verbunden sind. In der US-PS werden weder die Teilchengrößen noch die Metalle, welche in dem Mikrokugeldocht verwendet werden, erwähnt. Auch ein Herstellungsverfahren für solche Dochte ist nicht offenbart.

²^ Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, den Wirkungsgrad von Wärmerohren durch die Herstellung verbesserter Dochte für solche Aufbauten zu erhöhen, insbesondere die Herstellung von Dochten für Wärmerohre zu vereinfachen und Wärmerohrdochte zu schaffen, welche in komplexen geometrisehen Gestaltungen ausgebildet werden können.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Schutzbegehrens erzielt. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von teilchengebundenen Dochten auf den Innenwänden eines Wärmerohres. Die Teilchen werden untereinander und mit der Wärmerohrwand verbunden. Das Verbinden bzw. Zusammenkitten erfolgt, indem die Teilchen zunächst in einer geeigneten Bindemittellösung suspendiert werden. Die Suspen-

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sion wird mit herkömmlichen Techniken wie Aufstreichen, Sprühen oder Wischen auf die Wärmerohrwand aufgebracht. Die beschichtete Wand wird zunächst auf eine relativ niedrige Temperatur für e-inen kurzen Zeitabschnitt erwärmt, um das Bindemittel zu entfernen. Die beschichtete Wand wird dann auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt, um die Teilchen untereinander und mit der Oberfläche zu verbinden.

Es können verschiedene Materialien verwendet werden. Durch geeignete Auswahl der Teilchenabmessungen kann eine optimale Porengröße für die Kapillarwirkung auf das verwendete Übertragungsströmungsmittel erzielt werden. Die Teilchen können mit Materialien, welche einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als die Teilchen, beschichtet oder plattiert werden, um ein Verlöten der Teilchen während des Verbindens bei hoher Temperatur zu ermöglichen. Das Erhitzen und Verbinden kann in irgendeiner nichtoxidierenden Umgebung wie z.B. einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre erfolgen und das Verbinden bzw. Zusammenkitten kann durch Druckaufbringung verstärkt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 eine fotografische Reproduktion einer Mikrodarstellung eines teilchengebundenen Wärmerohrdochtes gemäß

der vorliegenden Erfindung und 30

Fig.2 eine 400-fache Vergrößerung der Darstellung gemäß Fig.1.

In Fig.1 ist ein Abschnitt einer Wärmerohrwand aus Flußstahl bzw. Weichstahl gezeigt, an welche rostfreie Stahlmikrokugeln diffusionsangeklebt sind. Obwohl ein ebener Oberflächenteil gezeigt ist, kann die Geometrie der Wärmerohrwand und entsprechend des Dochtes komplex sein ein-

schließlich der Geometrie von Ecken und gekrümmten Abschnitten, wie sie häufig in Verdampfern , Ubergangsabschnitten und Verflüssigern erforderlich sind.

Die Stärke der Wärmerohrwand ist nicht kritisch und liegt normalerweise im Bereich von ungefähr 0,79 bis 6,35 mm. Die Mikrokugeln können in einem Bereich von -100 bis 325 Mesh, d.h. in einem Durchmesserbereich von ungefähr 0,149 bis 0,043 mm liegen. Die Größe und Verteilung der Mikrokugeln bestimmt natürlich die Größe und Verteilung der Poren, aus welchen sich die erforderliche Kapillarwirkung des Dochtes auf das Übertragungsströmungsmittel ableitet. Ein bevorzugter Aufbau weist eine Wand auf, die ungefähr 1,52 mm stark ist, wobei die Mikrokugeln, welche eine Größe von 100 Mesh, d.h. 0,149 mm Durchmesser aufweisen, einen Docht von einer Stärke von ungefähr 1,01 bis 1,27 mm bilden.

Vor der Aufbringung der Mikrokugeln sollten die Wärmerohrwand und die Mikrokugeln sorgfältig gereinigt werden. Wenn Titan für die Wand und/oder die Mikrokugeln verwendet wird, ist es wünschenswert, daß alle Oberflächenoxide entfernt werden, um eine zuverlässige Diffusionsverbindung zu gewährleisten. Da Oberflächenoxide auf Titan große Festigkeit bzw. Zähigkeit aufweisen, wird eine Säureätzung verwendet, um diese Oxide zu verringern. Es können z.B. Salpetersäure oder Flußsäure verwendet werden und die geätzten Materialien können dann in einem geeigneten Medium,wie z.B. Methanol gespeichert werden, um eine Neubildung von Oberflächenoxiden vor ihrem Gebrauch zu verhindern.

Das bevorzugte Verfahren zur Ausbildung des Dochtes besteht darin, daß zuerst die Mikrokugeln in einer geeigneten Bindemittellösung wie z.B. N, N-Dimethylacetamid und/oder Methylzellulose suspendiert werden. Die Suspension aus Bindemittel und Teilchen wird auf die Wärmerohrwand aufgestrichen und die beschichtete Wand wird in einem Vakuumofen bei einer relativ niedrigen Temperatur von ungefähr 400⁰C und einem Druck von ungefähr 6x10 Torr für einige Minuten erhitzt,

um das Bindemittel zu verdampfen, während die Unversehrtheit der Schicht aufrechterhalten wird. Die beschichtete Oberfläche wird dann in einem Vakuum auf eine relativ hohe Temperatur (oberhalb der Betriebstemperatur des Wärmerohres) erhitzt, bis zwischen den Teilchen selbst und zwischen den Teilchen und der Wärmerohrwand eine Diffusionsbindung ausgebildet ist. Eine geeignete Temperatur zum Verbinden von rostfreien Stahlmikrokugeln untereinander und mit einer Wärmerohrwand aus Flußstahl oder zum Verbinden von Titanmikrokugeln untereinander und mit einer Wärmerohrwand aus Titan liegt ungefähr bei 1.200 ± 50⁰C und eine typische Erhitzungszeitdauer beträgt ungefähr zwei Stunden. Das Verbinden von rostfreien Stahlmikrokugeln untereinander ist deutlich in Fig.2 gezeigt.

Da bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Mikrokugeln untereinander und mit der Wärmerohrwand Metall-auf-Metall diffusionsgebunden sind, werden thermische Kontaktwiderstände eliminiert und ein hohes Verhältnis von Wärmeübertragungsoberflache pro Volumeneinheit erzielt. Die zufällige Natur der Teilchenverbindung gewährleistet, daß nicht-laminare Flüssigkeitsströmungswege zur Erhöhung der Wärmeübertragung bzw. des Wärmetransports gebildet werden. Demzufolge werden die möglichen Wärmeströme in dem Verdampfor und dem Verflüssiger erheblich erhöht.

Im Betrieb der Wärmerohre ist es im allgemeinen erwünscht, den Flüssigkeitsstrom vom Gegenstrom des Dampfes zu isolieren. Der Strom des Dampfes vom Verdampfer zum Verflüssiger

findet primär im offenen mittleren Volumen des adiabatischen Ubergangsabschnittes statt und der Rückstrom der Flüssigkeit vom Verflüssiger zum Verdampfer folgt dem Docht. Da die Teilchen des teilchengebundenen Dochtes die Flüssigkeit möglichst nahe der Teilchen-Wandgrenzfläche halten, wird die Wechselwirkung mit der zentralen Gegenströmung des Dampfes minimiert. Flüssigkeit und Dampf werden daher wirksam getrennt und die maximale Betriebshöhe mit sachgemäßer Flüssigkeitsrückführung wird erhöht.

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Für bestimmte Anwendungen kann es erforderlich sein, einen Docht mit einer Stärke herzustellen, welche größer als diejenige ist, welche bei einer einzigen Beschichtung erreichbar ist, oder einen Docht, dessen Teilchen in einer äußeren Schicht eine unterschiedliche Größe und/oder Form aufweisen gegenüber der Anfangsschicht. Ein Docht z.B.,dessen äußere Schicht feinere Teilchen als diejenigen der inneren Schicht aufweisen, kann die Wechselwirkung zwischen dem zentralen Gegenstrom des verdampften Wärmerohrströmungsmittels und dem Flüssigkeitstrom vom Verflüssiger zum Verdampfer möglichst klein halten. Die äußere Schicht für solche Dochte kann dadurch hergestellt werden, daß die Schritte des Beschichtens, Bindemittelverdampfens und Diffusionsverbindens wiederholt werden, sobald die diffusionsgebundene

¹^ innere Schicht abgekühlt ist. (Vorzugsweise wird das Abkühlen der inneren Schicht durch Auffüllen des Vakuumofens mit einem Inertgas wie z.B. Helium beschleunigt, so daß die Bildung von Oxiden auf der Oberfläche der inneren

Schicht verhindert und die Bearbeitungszeit minimiert wird.) 20

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform ein Flußstahlwärmerohr aufweist, an das Mikrokugeln aus rostfreiem Stahl diffusionsgebunden werden, wobei die Mikrokugeln untereinander ebenfalls diffusionsgebunden sind, können andere Materialien und Materialformen verwendet werden. So kann das Wärmerohr z.B. aus einer Vielzahl von anderen Materialien als Flußstahl hergestellt werden. In Abhängigkeit von der Anwendung, der Betriebstemperatur und anderen Faktoren kann das Wärmerohr aus Titan. Molybdän, Niob, Kupfer oder

anderen Materialien bestehen. Für den Docht kann ebenfalls

eine Vielzahl von Metallen verwendet werden. Darüber hinaus können Teilchen mit anderen Formen als Kugeln verwendet werden. Die Siebgröße der Teilchen kann ebenfalls variieren, wobei feinere Teilchen im allgemeinen für höhere 35

Wärmerohrbetriebstemperaturen bevorzugt werden.

Das verwendete Bindemittel muß nicht aus den speziellen, oben angeführten Materialien bestehen. Jedes sauber ver-

brennbare Bindemittel, welches eine angemessene Adhäsion der Teilchen untereinander und eine Positionierung der Teilchen an der Wand während des Verarbeitungsvorganges gewährleistet und welches ohne Verschmutzungsrückstand durch Verbrennen ausgetrieben werden kann, genügt.

Eine wahre Diffusionsbindung, bei welcher eine Übertragung von Elektronen zwischen den Teilchen und der Wand und zwischen den Teilchen selbst erfolgt, wird vorgezogen aufgrund der Vorteile eines großen Verhältnisses von Wärmeübertragungsoberfläche pro Volumeneinheit, der Eliminierung thermischer Kontaktwiderstände und nicht-laminarer Flüssigkeitsstromwege durch die Teilchenmatrix, welche die Wärmeübertragung bzw. den Wärmetransport erhöhen. Unter bestimmten Umständen jedoch schafft Löten einen angemessen arbeitenden Docht. Das Löten wird z.B. durch Beschichten der Teilchen mit einem Material bewirkt, das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die Teilchen, bevor das Verfahren gestartet wird. Das Verlöten findet dann während des Hochtemperaturschrittes des Verfahrens statt. So kann z.B. ein Lötpulver aus 72 Prozent Silber, Rest Kupfer auf Kupfermikrokugeln aufgestäubt werden, welche anschließend mit einer geeigneten Wärmerohrwand bei einer Temperatur von ungefähr 800°C verlötet werden können.

Claims

Patentansprüche

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5 [ 1 ή Verfahren zur Ausbildung eines Dochtes für ein Wärmerohr, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Teilchen in einem sauber verbrennbaren Bindemittel suspendiert werden, die Suspension von Teilchen und Bindemittel auf die Wand des Wärmerohres zur Bildung einer Schicht auf der Wand aufgebracht wird, die beschichtete Wand in einer nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine relativ niedrige Temperatur für einen ersten Zeitabschnitt erhitzt wird, der ausreicht, um das Bindemittel auszutreiben und ein Festhaften der Teilchen an der Wand zu bewirken, die beschichtete Wand in einer nichtoxidierenden Atmosphäre auf eine relativ hohe Temperatur, welche größer als die Betriebstemperatur des Wärmerohres ist, für einen zweiten Zeitabschnitt erhitzt wird, der ausreicht, um die Teilchen untereinander und mit der

Wand zur Ausbildung des Dochtes zu verbinden. 20

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohrwand aus Flußstahl und die Teilchen aus
rostfreiem Stahl bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohrwand und die Mikrokugeln aus Titan bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen die Form von Mikrokugeln einer Größe zwisehen -100 und 325 Mesh aufweisen.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen untereinander

und mit der Wand diffusionsverbunden sind.
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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Wand und die Teilchen aus Titan bestehen und mit
Säure geätzt werden , um vor der Suspension der Teilchen

in dem Bindemittel Oberflächenoxide zu entfernen.
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7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Suspension von Teilchen und Bindemittel auf die Wand, das
Erwärmen der beschichteten Wand auf eine relativ niedrige Temperatur und das Erwärmen der beschichteten Wand auf eine relativ hohe Temperatur wiederholt werden, um die Dicke des Dochtes zu erhöhen.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ niedrige Temperatur ungefähr 400°C und die relativ hohe Temperatur ungefähr 1.200°C ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit einem Metall, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Teilchen aufweist, vor der
Suspension der Teilchen in dem Bindemittel elektroplattiert werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekonnzeichnet, daß das Erwärmen der beschichteten Wand auf eine relativ hohe Temperatur in einer Umgebung durchgeführt wird, die einen größeren Druck als Atmosphärendruck

5 aufweist.