DE3630495C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von thermisch hochbelasteten Kühlelementen, insbesondere von mit Durchgangslöchern versehenen Beschleunigungsgittern für die Neutralteilcheninjektion in Fusionsreaktoren, bei dem in dem Kühlelement eine Vielzahl von im Abstand zueinander verlaufenden Kühlkanälen, zu deren Bildung auf einer Unterlage ausgelegte Röhrchen verwendet werden, mittels zumindest einer galvanisch aufgetragenen Materialschicht gebildet werden und die Gitterplatte dann oberflächenbearbeitet wird.

Im Bereich der Fusionstechnologie werden thermisch hochbelastete, aktiv gekühlte Strukturen auch in Form von mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern versehenen Gitterplatten benötigt. Dies gilt auch speziell für die Neutralteilcheninjektion in Fusionsreaktoren, bei der hochenergetische Teilchen (H⁺-Ionen) in einer Ionenquelle erzeugt werden. Diese Teilchen werden zu deren Beschleunigung durch einen Gittersatz geschickt, der aus drei Einzelgittern, nämlich einem Plasmagitter, einem Beschleunigungsgitter und einem Erdgitter, besteht, die in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnet und an Gitterträgern befestigt sind. Die Gitter sind quergeteilt mit gegeneinander leicht angewinkelten Gitterhälften und weisen in einem bestimmten Anordnungsmuster Durchgangsbohrungen auf, durch welche die Ionen beschleunigt und auf einen gemeinsamen Fokalpunkt hin fokussiert werden.

Um Verformungen der Gitterplatten durch die thermische Belastung zu vermeiden, sind in ihnen zwischen den Durchgangsbohrungen rechtwinklig dazu verlaufende Kühlkanäle angeordnet, durch die Wasser zur Wärmeabfuhr strömt. Die Gitterplatten werden zur Vermeidung von örtlichen Temperaturerhöhungen aus gut wärmeleitendem Material, insbesondere aus hochreinem Kupfer, hergestellt. Um einerseits die Plattentemperatur im Betriebszustand so niedrig wie möglich und andererseits die Wasseraufheizung gering zu halten, muß eine ausreichende Wassermenge durch die Gitterplatten fließen. Da die Kühlkanäle nur geringe Abmessungen und damit hohe Druckverluste haben, muß das Wasser mit entsprechend hohem Vordruck durch die Gitterplatten gepreßt werden. Entsprechend werden hohe Anforderungen an die Dichtheit und Festigkeit der Kühlkanäle gestellt.

Bisher wurden zumindest in Europa Beschleunigungsgitter fast ausschließlich nach dem sogenannten Galvanoplastik-Verfahren hergestellt, wie es beispielsweise bei Tuscher, Herstellung komplizierter Bauteile für die Flugzeug-, Raketen- und Satellitentechnik in Galvanotechnik, 77 (1986) Nr. 7, Seiten 1558 bis 1567 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren werden die Kühlkanäle zunächst in eine Seite einer Grundplatte eingefräst. Anschließend werden die Kühlkanäle mit elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt. Dann wird galvanisch eine ausreichend dicke Deckschicht aufgebracht, so daß eine beiderseits glatte Kupferplatte mit darin verlaufenden Kühlkanälen entsteht. Durch Erhitzen wird dann das Wachs wieder entfernt. Während des Galvanisiervorgangs, der recht langwierig ist - ca. 0,3 mm Dickenzuwachs pro Tag -, werden zwischendurch Prüfungen und Ausheizungen vorgenommen. Nach der abschließenden Prüfung wird aus dem Gitterrohling durch entsprechend mechanische Bearbeitung die fertige Gitterplatte hergestellt.

In der DE-PS 28 15 525 ist ein gegenüber dem vorgenannten modifiziertes Verfahren beschrieben, bei dem in die eingefrästen Kühlkanäle vorher oder zugleich mit einem Füllmaterial, beispielsweise elektrisch leitendem Wachs, Röhrchen eingelegt werden, die aus einem bei Raumtemperatur lösbaren Metall oder Kunststoff bestehen. Nach dem galvanischen Auftrag der Deckschicht werden dann zunächst diese Röhrchen aus dem Füllmaterial herausgespült, indem eine entsprechende Säure, Lauge oder ein Lösungsmittel durch diese Röhrchen hindurchgeschickt wird. Erst anschließend wird dann das durchgehend hohle Füllmaterial ebenfalls im Wege der Durchströmung mit einem Lösungsmitel aus den Kühlkanälen entfernt.

Da die Bindungsflächen für die aufgalvanisierte Materialschicht zwischen den Durchgangslöchern und den Kühlkanälen sehr klein ist und häufig unter 1 mm liegt, bedarf das Galvanoplastik-Verfahren großer Sorgfalt, damit keine Lecks entstehen. Die galvanisch zu verkupfernden Flächen müssen völlig frei von Wachs sein, da ansonsten Bindungsfehler entstehen können. Auch muß das Wachs nach dem Galvanisiervorgang vollständig aus den Kühlkanälen entfernt werden. Eine Kontrolle auf eventuell noch vorhandene Wachsreste erfordert zudem großen Aufwand. Schließlich muß dafür Sorge getragen werden, daß bei der Galvanisierung keine Lunker oder Kapillaren entstehen, die zu Lecks führen könnten.

Die vorgenannten Probleme werden zwar bei sorgfältiger Ausführung beherrscht. Es ist jedoch ein beträchtlicher fertigungsmäßiger Aufwand hiermit verbunden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von thermisch hochbelasteten Kühlelementen zu finden, das sich durch geringeren fertigungsmäßigen Aufwand und hohe Fertigungskonstanz auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Röhrchen als Kühlröhrchen die Kühlkanäle bilden und daß durch galvanischen Auftrag zumindest einer Materialschicht auf die freie Oberfläche von Kühlröhrchen und Unterlage ein Plattenelement gebildet wird.

Erfindungsgemäß entsteht das Plattenelement - abgesehen von den zuvor ausgelegten Kühlröhrchen und gegebenenfalls von Seitenteilen - vollständig durch Galvanisierung. Dies hat den Vorteil, daß im kritischen Bereich der Durchgangslöcher keinerlei Dichtstellen vorhanden sind. Die von dem aufgalvanisierten Material eingehüllten Kühlröhrchen können schon vorher auf Dichtheit geprüft werden, so daß Lecks nicht mehr auftreten können. Kapillaren und kleinere Lunker im aufgalvanisierten Material können toleriert werden, da sie auf Grund der Tatsache, daß die Kühlkanäle als Kühlröhrchen eingebracht worden sind, keine Dichtigkeitsprobleme verursachen können. Entsprechend können Zwischenprüfungen entfallen, was den Aufwand beim Galvanisieren verringert. Werden nach Abschluß des Galvanisiervorganges größere Lunker festgestellt, können diese einfach repariert werden. Es entfallen zudem das zeitraubende Fräsen der Kühlkanäle und die hohe Sorgfalt erfordernde Verwendung von leitendem Wachs, so daß das Verfahren insgesamt einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden kann, selbst wenn man berücksichtigt, daß der Aufwand für das Galvanisieren selbst größer ist.

In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Plattenelement nach der Trennung von der Unterlage auch auf der anderen Seite mit zumindest einer galvanisch aufgetragenen Materialschicht versehen wird. Auf diese Weise werden die Kühlröhrchen vollständig in das Material des Plattenelements eingebettet und von diesem umhüllt. Damit entfällt auch die Notwendigkeit, für die Kühlröhrchen hochreines Kupfer zu verwenden. Es reicht aus, hierfür normales Kupfer oder andere, korrosionsfeste und mit hochreinem Kupfer verträgliche Legierungen zu nehmen.

Damit die Kühlröhrchen vor und während der Galvanisierung ihre Lage beibehalten, sollten sie in in die Unterlage eingeformte Nuten eingelegt werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise so, daß sie teilweise, vorzugsweise zur Hälfte über die Oberfläche der Unterlage vorstehen, so daß die Kühlröhrchen nach dem ersten Galvanisierungsschritt an der Unterseite des galvanisierten Materials noch teilweise herausragen. Dieser Teil der Kühlröhrchen wird dann im zweiten Galvanisierungsgang umhüllt.

Das Plattenelement sollte zweckmäßigerweise nach dem Auftragen der Materialschicht(en) auf die eine Seite zuerst oberflächenbearbeitet werden, bevor es von der Unterlage getrennt wird. Hierzu kann es an der Unterlage fixiert werden, wobei ein besonders vorteilhaftes Verfahren darin besteht, daß in in die Unterlage eingeformte Löcher zumindest bis zur Oberfläche der Unterlage vorstehende Bolzen zur Fixierung eingesetzt werden, bevor die erste Materialschicht galvanisch aufgetragen wird. Aufgrund dieser Anordnung werden die Bolzen in die Materialschicht an- oder sogar eingalvanisiert und halten dann das Plattenelement bei der anschließenden Oberflächenbearbeitung. Ein besonders guter Halt wird dadurch erreicht, daß die Bolzen an ihrer Unterseite mit der Unterlage verschraubt werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß vor dem Galvanisieren auf beiden Endseiten der Kühlröhrchen Seitenteile angesetzt werden, wobei die Enden der Kühlröhrchen zweckmäßigerweise in Nuten oder Bohrungen der Seitenteile eingesetzt werden. Die Unterlage kann hierfür entsprechend ausgeformt sein. Auf diese Weise geht die Galvanikschicht auch eine innige Verbindung mit den Seitenteilen ein und es entsteht ein stabiles, zusammenhängendes Plattenelement mit einer guten Abdichtung der Kühlröhrchen gegen die Seitenteile. Es besteht die Möglichkeit, daß die Kühlröhrchen auch schon vor dem Galvanisieren mit den Seitenteilen verlötet werden, wodurch die Dichtigkeit zwischen Kühlröhrchen und Seitenteilen in jedem Fall gewährleistet ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß durch in die Seitenteile eingearbeitete Sammelkanäle eine Verbindung zu den Kühlröhrchen hergestellt wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Sammelkanäle schon vorher einzuarbeiten und dann mit Wachs zu füllen, das dann nach dem Galvanisieren durch Erhitzen entfernt wird.

Da die Durchgangslöcher insbesondere bei Verwendung der Gitterplatte als Beschleunigungsgitter sehr präzise gefertigt werden müssen, empfiehlt es sich, sie erst nach der Galvanisierung einzuformen, zweckmäßigerweise zu bohren. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Durchgangslöcher mittels vor dem Galvanisieren auf die Unterlage aufgestellten, allseitig verschlossenen Rohrstutzen auszuformen, die dann bei der Endbearbeitung geöffnet oder herausgenommen werden. Hierdurch kann - wenn nicht besonders genaue Anforderungen gestellt werden - das Ausbohren der Durchgangslöcher entfallen.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine Schrägansicht einer Unterlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch die Unterlage gemäß Fig. 1 mit eingelegten Kühlröhrchen und Seitenteil;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch die Unterlage gemäß Fig. 1 mit eingelegten Kühlröhrchen und einem anderen Seitenteil;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Unterlage gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A;

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Unterlage gemäß Fig. 4 nach dem ersten Galvanisierungsschritt;

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Unterlage gemäß Fig. 5 nach der ersten Oberflächenbearbeitung;

Fig. 7 einen Querschnitt durch das Gitterplattenelement nach dem Abnehmen von der Unterlage gemäß Fig. 6;

Fig. 8 das Gitterplattenelement gemäß Fig. 7 in umgedrehter Lage und nach dem zweiten Galvanisierungsschritt und

Fig. 9 das Gitterplattenelement nach der Endbearbeitung.

Die in Fig. 1 dargestellte Unterlage (1) ist als Vollkörper ausgebildet und besteht hier aus Acrylglas. Es können auch Edelstahl, Stahl oder andere geeignete Materialien zur Anwendung kommen, wenn dessen Oberfläche so behandelt wird, daß aufgalvanisiertes Kupfer nicht haftet.

Die Unterlage (1) weist insgesamt vier gerade Nuten (2, 3, 4, 5) auf, an deren Enden jeweils ein stufenförmiger Absatz (6, 7) eingeformt ist. Im Bereich der Mittelachse sind zwei Bohrungen (8, 9) vorgesehen, die bis zur Unterseite der Unterlage (1) durchgehen.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, werden zur Ausbildung eines Gitterplattenelementes zunächst Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) aus Kupfer in die Nuten (2, 3, 4, 5) eingesetzt. Die Höhe der im Querschnitt rechteckförmigen Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) ist mit der Tiefe der Nuten (2, 3, 4, 5) so abgestimmt, daß die Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) mit der Hälfte ihrer Höhe über die Oberfläche der Unterlage (1) vorstehen. Dies läßt sich auch aus den Fig. 2 und 3 ersehen, die den linken Endbereich der Unterlage (1) mit dem stufenförmigen Absatz (6) sowie das Kühlröhrchen (11) zeigen. Auf dem stufenförmigen Absatz (6) ruht jeweils ein Seitenteil (15, 16) aus Vollmaterial aus normalem Kupfervollmaterial oder anderen geeigneten Materialien wie z. B. Edelstahl, Kupferlegierungen oder dergleichen. Das in Fig. 2 dargestellte Seitenteil (15) reicht nur bis zur Oberfläche der Unterlage (1) und weist an der Oberseite Nuten (17) auf, die jeweils eine Fortsetzung der Nuten (2, 3, 4, 5) bilden und in die die vorstehenden Enden der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) hineinragen. In Fig. 3 ist das Seitenteil (16) höher ausgebildet und weist Bohrungen (18) als Fortsetzung der Nuten (2, 3, 4, 5) auf, in die die Enden der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) hineinragen. Letztere sind zugelötet in beiden Fällen an den Enden verschlossen, um ein Hineinlaufen von Elektrolyt zu vermeiden.

Wie wiederum aus Fig. 4 zu ersehen ist, sind in die Bohrungen (8, 9) Schraubbolzen (19, 20) eingesetzt, die an ihren oberen Enden durch stufenförmige Verbreiterungen (21, 22) gehalten und mittels von unten aufgeschraubter Muttern (23, 24) in der Unterlage (1) verspannt sind.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung wird anschließend in ein Galvanikbad eingesetzt. Hierdurch bildet sich - wie aus Fig. 5 zu ersehen ist - auf der Oberfläche der Unterlage (1) und damit auch auf den herausragenden Oberflächen der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) eine Materialschicht (25), die für den Einsatz als Beschleunigungsgitter aus Reinstkupfer besteht. Die Materialschicht geht dabei eine innige Verbindung mit dem herausragenden Teil der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) ein und auch mit den Oberseiten der Schraubbolzen (19, 20), während zu dem Material der Unterlage (1) keine Haftung entsteht.

Die etwas unebene Oberfläche der Materialschicht (25) wird anschließend mechanisch bearbeitet, so daß eine plane Oberfläche entsteht. Dabei wird die Materialschicht (25) von den Schraubbolzen (19, 20) festgehalten. Das Ergebnis ist in Fig. 6 zu sehen. Die Muttern (23, 24) werden dann losgeschraubt, so daß das Gitterplattenelement (26) von der Oberfläche der Unterlage (1), bestehend aus Materialschicht (25), Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) und Seitenteilen (15) (nicht sichtbar), (27) von der Unterlage (1) abgehoben werden kann. Nach Entfernung der Schraubbolzen (19, 20) steht dann das in Fig. 7 dargestellte Gitterplattenelement (26) zur Verfügung.

Dieses Gitterplattenelement (26) wird dann um die parallel zu den Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) verlaufende Mittelachse verschwenkt, und zwar um 180°. Die zunächst nach unten über die Materialschicht (25) vorstehenden Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) ragen aus dieser dann nach oben heraus. Das Gitterplattenelement (26) wird dann wieder auf eine Unterlage aufgelegt, verschraubt und zum zweiten Mal in ein Galvanikbad eingesetzt. Es bildet sich dann - wie aus Fig. 8 zu ersehen ist - auf der jetzt obenliegenden Seite eine weitere Materialschicht (28) durch galvanischen Auftrag. Diese überdeckt die bis dahin noch herausragenden Teile der Kupferröhrchen (11, 12, 13, 14) in der Fig. 5 entsprechenden Weise. Die Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) sind nun vollständig in die beiden Materialschichten (25, 28) eingebettet, wobei diese Materialschichten (25, 28) selbstverständlich ineinander übergehen und keine Trennfläche zwischen sich haben. Entsprechendes gilt auch für die Seitenteile (15, 27), insbesondere für das Einmünden der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) in diese. Es entsteht ein stabiles, zusammenhängendes Gitterplattenelement (26) mit guter Abdichtung der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) gegen die Seitenteile (16, 27). Die Galvanisierung ist damit beendet.

Das Gitterplattenelement (26) wird anschließend noch mechanisch bearbeitet. Zunächt wird die etwas unebene Oberfläche der Materialschicht (28) geplant. Dann werden neben die Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) eine Vielzahl von Durchgangslöcher (29, 30, 31, 32) gebohrt, so daß eine Gitterstruktur entsteht. Dies ist aus Fig. 9 zu ersehen, wobei das Gitterplattenelement (26) gegenüber der in Fig. 8 dargestellten Stellung wieder um 180° gedreht worden ist. Anschließend werden in die Seitenteile (15, 27) Sammelkanäle eingefräst, wobei auch die hineinragenden Enden der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) abgearbeitet werden. Die Sammelkanäle werden dann durch eingelötete, eingeschweißte oder eingalvanisierte Deckel verschlossen.

Die Unterlage (1) kann zur Herstellung einer Vielzahl identischer Gitterplattenelemente (26) verwendet werden. Soll das Gitterplattenelement (26) eine andere Geometrie erhalten, muß eine neue Unterlage (1) gefertigt werden, die dann jedoch wieder beliebig oft für die Herstellung identischer Gitterplattenelemente verwendet werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von thermisch hochbelasteten Kühlelementen, insbesondere von mit Durchgangslöchern zu versehenen Beschleunigungsgittern für die Neutralteilcheninjektion in Fusionsreaktoren, bei dem in dem Kühlelement eine Vielzahl von im Abstand zueinander verlaufenden Kühlkanälen, zu deren Bildung auf einer Unterlage ausgelegte Röhrchen verwendet werden, mittels zumindest einer galvanisch aufgetragenen Materialschicht gebildet werden und die Gitterplatte dann oberflächenbearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen als Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) die Kühlkanäle bilden und daß durch galvanischen Auftrag zumindest einer Materialschicht (25, 28) auf die freie Oberfläche von Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) und Unterlage (1) ein Plattenelement (26) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenelement (26) nach der Trennung von der Unterlage (1) auch auf der anderen Seite mit zumindest einer galvanisch aufgetragenen Materialschicht (28) versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) in in die Unterlage (1) eingeformte Nuten (2, 3, 4, 5) eingelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Nuten (2, 3, 4, 5) eingelegten Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) teilweise, vorzugsweise zur Hälfte über die Oberfläche der Unterlage (1) vorstehen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenelement (26) nach dem Auftragen der Materialschicht(en) (25) auf die eine Seite zuerst oberflächenbearbeitet wird, bevor es von der Unterlage (1) getrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in in die Unterlage (1) eingeformte Löcher (8, 9) zumindest bis zur Oberfläche der Unterlage (1) hochstehende Bolzen (19, 20) zur Fixierung eingesetzt werden, bevor die erste Materialschicht (25) aufgetragen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Galvanisieren auf beiden Endseiten der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) Seitenteile (15, 16, 27) angesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) in Nuten (17) oder Bohrungen (18) der Seitenteile (15, 27 bzw. 16) eingesetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) vor dem Galvanisieren mit den Seitenteilen (15, 16, 27) verlötet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch in die Seitenteile (15, 16) eingearbeitete Sammelkanäle eine Verbindung zu den Kühlröhrchen (11, 12, 13, 14) hergestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangslöcher (29, 30, 31, 32, 33) nach der Galvanisierung eingeformt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aussparung der Durchgangslöcher (29, 30, 31, 32, 33) vor dem Galvanisieren allseitig verschlossene Rohrstutzen auf die Unterlage aufgestellt werden, die bei der Endbearbeitung geöffnet oder herausgenommen werden.