DE2418889A1

DE2418889A1 - Thermisch und mechanisch hochbelastbare waermetauscher

Info

Publication number: DE2418889A1
Application number: DE19742418889
Authority: DE
Inventors: Karl Butter; Helmut Dipl Ing Dederra; Michael Dipl Ing Kaufmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1974-04-19
Publication date: 1975-11-20
Also published as: FR2268166B3; JPS50140717A; FR2268166A1; IT1037358B; GB1490641A; IN144883B

Description

Thermisch und mechanisch hochbelastbare Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft thermisch und mechanisch hochbelastbare Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke, bestehend aus einer durch Galvanoformung hergestellten feuerkantenseitigen Innenwand und einer Außenwand sowie zwischen dar Innenwand und der Außenwand verlaufenden, von mindestens einem Kühlmedium, insbesondere mindestens einer Treibstoffkomponente

-2-

509847/0469

_ 2 —

durchströrabaren Kühlkanälen, die durch gegebenenfalls mit der Innen- und/oder der Außenwand einstückige Stege voneinander getrennt sind, und ein Verfahren zur Herstellung solcher Wärmetauscher.

Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken ist es üblich, zur Kühlung der Schubdüsen- und Brennkammerwand mindestens eine der am Brennprozeß beteiligten Treibstoffkomponenten am hinteren Ende der Schubdüse über einen ZuIaufring in innerhalb der Schubdüsen— und Brennkammerwand längsgerichtete Kühlkanäle einzuleiten und durch diese nach vorn zu führen, wo die Treibstoffkomponente-in einem Ring gesammelt und dem.Einspritzkopf der Brennkammer zugeführt wird. Ein Raketentriebwerk stellt in brennverfahrenstechnischer Hinsicht und im Hinblick auf seine Konstruktion eine komplexe Maschine dar, die zahlreichen, einander vielfach konträren Anforderungen genügen muß, die bei der Auslegung und beim Bau des Triebwerks zu einem optimalen Ganzen koordiniert werden müssen. Der Raketenbrennprozeß, der unter extremen Temperaturen abläuft, erfordert zur Erzielung eines, hohen Wirkungsgrades ein großes Druckverhältnis· Da es bis heute keinen Werkstoff bzw. kein geeignetes Metall gibt, das ungeschützt den extrem hohen Brennkammertemperaturen standhalten könnte, muß dafür Sorge getragen werden, daß die anfallende Wärmemenge sehr rasch abgeführt wird. Diese Aufgabe übernimmt das durchströmende Kühlmittel, das die mittlere Wandtemperatur der Brennkammer und Schubdüse in einem Bereich zu halten hat, in dem noch eine ausreichende Wandfestigkeit gewährleistet ist. Bei den bisher bekannten Konstruktionen wird jedoch aus technologischen und konstruktiven Gründen meist sehr bald die obere Festigkeitsgrenze in bezug auf Temperatur und Druck erreicht.

So sind bei ein- oder mehrstückig aus Stahl hergestellten Brennkammern mit eingegossenen oder sonstwie eingearbeiteten Kühlkanälen und einem diese abdeckenden aufgeschweißten

-3-50-9847/0469

Stahlaußenmantel (US-Patentschrift 3 154 914) einer den Wirkungsgrad des Brennprozesses steigernden Wandtemperaturerhöhung deshalb verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, weil durch den auftretenden Wärmestau eine Überhitzung dieses Werkstoffes eintritt, dessen Warmfestigkeit mit steigenden Temperaturen rasch abnimmt.

Zur Beherrschung der sehr hohen Brennkammertemperaturen ist es ferner bereits bekannt, die Brennkammer mit Schubdüse aus einer Windung an Windung liegenden Kupferrohrschlange herzustellen und die einzelnen aneinanderliegenden Windungen durch Schweißung oder Lötung fest miteinander zu verbinden· Hierbei besteht jedoch erhebliche Gefahr, daß während des Betriebs der Brennkammer die zahlreichen, unmittelbar dem Feuer ausgesetzten Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Rohrwindungen thermisch überbeansprucht werden.

Weiterhin sind durch Galvanoformen hergestellte Brennkammern bekannt, die beispielsweise wie folgt hergestellt werden: Auf einem die Innenwand des fertigen Wärmetauschers bildenden Kern aus einem gut wärmeleitenden Metall, insbesondere Kupfer, werden nach Lage und .Form den Kühlkanälen entsprechende Streifen aus einem elektrisch nicht-leitenden Maskierungsmittel, z.B. Wachs, angebracht, deren Oberseiten mit einer Leitschicht versehen werden, worauf man auf dem. so vorbereiteten Kern ein gut wärmeleitendes Metall, insbesondere Kupfer, galvanisch abscheidet (US-Patentschrift 3 022 230)· Dabei füllen sich zunächst die Kanäle zwischen den Maskierungsmittelstreifen bis die so erzeugten Stege mit der leitenden Deckschicht in Berührung kommen, worauf sich eine die Außenwand bildende geschlossene Metallschicht abscheidet. Auf diese V/eise erhält man nach dem Entfernen des Maskierungsrnittels, z.B. durch Ausschmelzen, ' Wärmetauscher, die den vorstehend geschilderten bekannten' Wärmetauschern insofern zweifellos überlegen sind, als sie

509847/0469

.·..". ; . 2418883

ι , _t

keine Lot- oder Schweißverbindungsstellen aufweisen. Dafür ist jedoch die Herstellung, insbesondere der Kerne für große Wärmetauscher, sowie die Erzielung einer einwandfreien Bindung zwischen der Innenwand und den Stegen recht schwierig und nach dem derzeitigen Stand der Technik nur bei der Verwendung von Werkstoffen aus einer recht begrenzten Auswahl von Metallen überhaupt möglich·

Der letztgenannte Nachteil ist in noch stärkerem Ausmaß auch bei weiteren bekannten auf analoge Weise, jedoch unter Verwendung von durch Galvanoformen erzeugten Kernen bzw. Innenwänden hergestellten bekannten Wärmetauschern (US-Patentschrift 2 889 258) gegeben.

Auch den vorstehend geschilderten bekannten Wärmetauschern ansonsten in verschiedener Hinsicht überlegene, vollgalvanisch hergestellte bekannte Wärmetauscher mit wellenförmigen, die Kühlkanäle dreiseitig umgebenden Innenwänden, die durch galvanisches Abscheiden der Innenwand auf einem entsprechend geformten Kern, Ausfüllen der als Kühlkanäle dienenden Vertiefungen der Innenwand mit einer elektrisch leitenden Füllmasse, galvanische Abscheidung der Außenwand und Ausschmelzen oder Herauslösen der Füllmasse hergestellt werden (deutsche Patentschrift 2 015 024), sind bezüglich der nach dem Stand der Technik für die Innenwände in Betracht kommenden Werkstoffe, und insbesondere deren mechanischer und thermischer Belastbarkeit nicht voll befriedigend.

Schließlich sind auch durch Vorfertigen eines einstückigen Grundkörpers aus einem gut wärmeleitenden Metall, insbesondere Kupfer oder einer Kupferlegierung, mit eingearbeiteten Kühlkanälen, z.B. durch Schmieden und/oder spanabhebende Bearbeitung, Ausfüllen der Kühlkanäle mit einer elektrisch leitenden Füllmasse und galvanisches Abscheiden einer Außenwand aus einer relativ dünnen Zwischenschicht ,aus sauerstofffreiem Kupfer oder gleichwertigem Material

-5-50 9 847/0469

und einem auf diese aufgalvanisierten verhältnismäßig dickwandigen Druckmantel aus Nickel oder einem ähnlichen Werkstoff mit hoher Festigkeit hergestellte Wärmetauscher bekannt (deutsche Patentschrift 1 751 691)·

Diese bekannten Brennkammern stellen gegenüber den anderen, vorstehend erörterten Brennkammern nach dem Stand der Technik mit Lot- oder Schweißverbindungen eine vorteilhafte Lösung dar. So ist bei diesen, im Gegensatz zu anderen bekannten Brennkammern, insbesondere dann, wenn die Zwischenschicht aus dem gleichen Werkstoff wie der Grundkörper besteht, überall zwischen den radial nach außen zeigenden Flächen der einzelnen Stege und der Innenseite der Zwischenschicht eine sichere Verbindung gewährleistet. Außerdem ist durch diese Maßnahme - vom Material her und über den ganzen Kühlkanalquerschnitt - eine intensive Wärmeübertragung auf das durchströmende Kühlmittel gegeben. Ferner garantiert der die Zwischenschicht absolut formschlüssig einhüllende und mit dieser an allen Punkten festhaftend verbundene Druckmantel, der aus Nickel oder einem ähnlichen Werkstoff mit hoher Festigkeit bestehen soll, eine satte Abstützung dieser Zwischenschicht und damit deren reißsichere Verbindung mit den Stegen des Grundkörpers.

Auch von den weiteren vorstehend geschilderten, teil- oder vollgalvanisch hergestellten, bekannten Wärmetauschern bzw. Brennkammern unterscheiden sich diese bekannten Wärmetauscher insofern vorteilhaft, als die Auswahl der nach dem Stand der Technik für den Grundkörper verwendbaren Werkstoffe größer und die Sicherstellung einer einwandfreien Bindung zwischen der Innenwand und den Stegen problemlos ist.

S09847/0 469

Selbst diese in vielen Beziehungen bestens bekannten Wärmetauscher können jedoch nicht in jeder Hinsicht voll befriedigen. So läßt insbesondere die Warmfestigkeit der nach dem Stand der Technik als Grundkörpermaterial in Betracht kommenden Werkstoffe - soweit sie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzen - zu wünschen übrig. Weiterhin könnten beim Einarbeiten der Kühlkanäle, insbesondere bei großen Grundkörpern, nur mit einem in der Praxis nicht mehr vertretbaren Aufwand Fertigungstoleranzen eingehalten werden, die es ermöglichen würden, bei der Sollstärkenbemessung der Innenwände an die unterste mit Rücksicht auf die Materialeigenschaften noch vertretbar erscheinende Grenze zu gehen, und zwar insbesondere dann, wenn diese unter etwa 1 mm liegt.

Da Wärmetauscher der hier in Rede stehenden Art, insbesondere also Raketenbrennkammern, thermisch und mechanisch extrem hoch belastet sind, weil Wärmemengen von etwa 1000.cal

2
und mehr pro cm feuerkantenseitiger Innenwandoberfläche und Sekunde abgeführt und auf das Kühlmittel übertragen werden müssen und zudem einerseits sowohl Menge als auch Temperatur des in der Regel als Kühlmittel allein zur Verfügung stehenden Treibstoffs vorgegebene Größen sind und andererseits mit Rücksicht auf eine auf das Gewicht und den Platzbedarf bezogene hohe spezifische Nutzleistung des Triebwerks verschiedene an sich gegebene konstruktive Kunstgriffe zur Steigerung der pro Zeiteinheit auf das Kühlmittel übertragenen Gesamtwärmemenge nicht oder nur sehr beschränkt angewandt werden können, besteht ein Bedarf an Wärmetauschern mit verbesserter Leistung, bei denen die Möglichkeiten zur Erzielung einer möglichst hohen gewichts- und raumspezifischen Wärmeabfuhrleistung optimal und besser als bei den bisher bekannten Wärmetauschern genutzt sind.

— 7—

B 0-9 847/0469

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, derartige Wärmetauscher zu schaffen, die zudem bezüglich mechanischer Schaden zumindest ebenso betriebssicher wie die diesbezüglich bestens bekannten Wärmetauscher und außerdem mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellbar sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen·

Der kritische Punkt bei derartigen Wärmetauschern ist bekanntlich der Wärmefluß von den Kühlkanalwänden in das Kühlmittel, für dessen Optimierung im wesentlichen nur zwei Maßnahmen, nämlich eine jeweils größtmögliche Steigerung der Temperaturdifferenz sowie der Wärmeübergangszahl zwischen den Kühlkanalwänden und dem Kühlmittel verbleiben, nachdem davon auszugehen ist, daß die hinsichtlich einer Verbesserung der Kühlkanalgeometrie bestehenden Möglichkeiten bereits heute weitestgehend erschöpfend genutzt sind·

Da die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Wärmetauscher sowie die pro Zeiteinheit zur Verfügung stehende Kühlmittelmenge und damit - bei Aufnahme einer bestimmten Wärmemenge und gegebenem Kühlmittel - auch dessen Temperatur beim Austritt aus dem Wärmetauscher vorgegebene bzw. nicht frei wählbare Größen sind, kann eine Steigerung der Temperaturdifferenz zwischen den Kühlkanalwänden und dem durch die Kühlkanäle fließenden Kühlmittel nur durch eine Erhöhung der Kühlkanalwandtemperaturen erreicht werden. Diese läßt sich ihrerseits grundsätzlich in nennenswertem Ausmaß durch

a) Erhöhung der Innenwandtemperatur an der feuerkantenseitigen Wandflache,

b) Verwendung eines Innenwandmaterials mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit

und/oder

c) Verringerung der Innenwandstärke

509847/0469

erreichen, wobei die beiden letztgenannten Maßnahmen' zu einer Verminderung der Differenz zwischen der feuerkanten- und der kühlkanalseitigen Innenwandtemperatur führen, die bei Wärmeflußwerten der hier in Rede stehenden Größe ein beträchtliches Ausmaß erreichen kann.

Eine Verbesserung, des Wärmeübergangskoeffizienten für den Wärmeübergang von den Kühlkanalwänden auf das Kühlmittel läßt sich bei gegebener Kühlkanalgeometrie, gegebenem Kühl— kanalwandmaterial und gegebenem Kühlmittel grundsätzlich nur durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erreichen, die jedoch nicht nur zu einer erwünschten, weil die Dicke der laminaren Grenzschicht verringernden Steigerung der Turbulenz des Kühlmittels führt, sondern zwangsläufig auch zu einer Erhöhung des Kühlmitteldrucks und damit der mechanischen Beanspruchung des Wärmetauschers, insbesondere der von der Innen- und der Außenwand gebildeten Kühlkanalwände, die verstärkt auf Druck und Biegung beansprucht werden, und der Stege, die verstärkt auf Zug beansprucht werden·

Hinzu kommt als wohl wesentlichster Gesichtspunkt, daß der Druckabfall in den Kühlkanalwanden so gering wie möglich gehalten werden muß, weil die zu seiner Überwindung erforderliche Pumpleistung die Nutzleistung des jeweiligen Raketentriebwerks wesentlich beeinträchtigt·

Da bei den bekannten Wärmetauschern der vorstehend geschilderten Art mit bereits an der Grenze des vertretbaren Druckabfalls liegenden KühlmittelStrömungsgeschwindigkeiten gearbeitet wurde, war der Versuch, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Phasengrenze Kühlkanalwand/ Kühlmittel zu lösen, scheinbar ebenso aussichtslos wie der Versuch, eine Btjsung der der Erfindung zugrundeliegende

509847/0469

Aufgabe durch Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und den Kühlkanalwänden zu erreichen, dem Fachmann aus folgenden Gründen als praktisch nicht realisierbar erscheinen mußte:

1) Eine Erhöhung der kühlkanalseitigen Wandtemperatur der Innenwand über die derzeit üblichen Werte hinaus durch Erhöhen der feuerkantenseitigen Innenwandtemperatur führt zwangsläufig zu einer Verringerung der Zugfestigkeit und insbesondere der Streckgrenze (G¹Q ₂^ ^des Innenwandmaterials, die bei allen nach dem Stand der Technik als Innenwandmaterial in Betracht kommenden Werkstoffen so stark ist, daß der dadurch zu erzielende Effekt durch die als Folge mit Rücksicht auf die mechanische Sicherheit erforderliche Erhöhung der Innenwanddicke und/oder Verwendung von Werkstoffen mit besserer Warmfestigkeit aber geringerer Wärmeleitfähigkeit zumindest ausgeglichen und in der Regel sogar überkompensiert würde·

2) Eine Steigerung der kühlkanalseitigen Innenwandtemperatur durch die Verwendung von Werkstoffen mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit erscheint deswegen nicht möglich, weil bei den bislang für diesen Zweck in Betracht gezogenen Werkstoffen die Warmfestigkeitseigenschaften umso schlechter sind, je besser ihre Wärmeleitfähigkeit ist, so daß ein Gewinn an Wärmeleitfähigkeit mit Rücksicht auf die mechanische Sicherheit durch niedrigere feuerkantenseitige Innenwandtemperaturen und/oder eine Erhöhung der Innenwandstärken erkauft werden müßte, wodurch wiederum der auf diese Weise zu erzielende Effekt ebenfalls zumindest ausgeglichen würde·

-10-

509847/0A69

3) Auch eine Verringerung der Innenwandstärken über das bisher übliche Maß hinaus ist scheinbar wenig erfolgversprechend, da mit Rücksicht auf die mechanische Sicherheit zum Ausgleich die feuerkantenseitigen Innenwandtemperaturen gesenkt und/oder Werkstoffe mit höherer Warmfestigkeit verwendet werden müßten, was deswegen sinnlos wäre, weil - wie bereits erwähnt - bei den bislang für diesen Zweck in Betracht gezogenen Werkstoffen die Wärmeleitfähigkeit in der Regel umgekehrt proportional der Warmfestigkeit ist. Hinzu kommt, daß gerade diejenigen nach dem Stand der Technik als Innenwandmaterial in Frage kommenden Werkstoffe, die aufgrund ihrer Warmfestigkeitseigenschaften und Wärmeleitfähigkeit eine nennenswerte Steigerung der bislang üblichen kühlkanalseitigen Innenwandtemperaturen theoretisch ermöglichen würden, nicht durch Galvanoformung, sondern nur durch Fertigungsmethoden zu Innenwänden bzw. Grundkörpern für Wärmetauscher der hier in Rede stehenden Art verarbeitet werden können, bei denen die Fertigungstoleranzen ohne unvertretbaren Aufwand so hoch sind, daß die Innenwände mit Sollstärken gefertigt werden müssen, die erheblich über den aufgrund der Materialeigenschaften theoretisch möglichen Mindestwerten liegen.

Es wurde nun gefunden, daß sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe überraschenderweise durch eine Erhöhung der kühlkanalseitigen Innenwandtemperatur über die bislang üblichen Werte hinaus lösen läßt, wenn man statt eines der bislang von der Fachwelt als für diesen Zweck allein in Frage kommend gehaltenen Werkstoffe als Material für die Innenwand ein galvanisch abscheidbares dispersionsgehärtetes Metall, insbesondere galvanisches, dispersionsgehärtetes Kupfer, verwendet, da diese Werkstoffe in der Regel eine wesentlich höhere Zugfestigkeit und insbesondere

-11-

509847/0469

Streckgrenze bei höheren Temperaturen bis knapp unter dem Schmelzpunkt besitzen als die entsprechenden Grundmetalle oder deren Legierungen und trotzdem eine nur geringfügig geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die Matrixoder Grundmetalle.

Die Verwendbarkeit dispersionsgeharteter Metalle für den erfindungsgemäßen Zweck ist trotz ihrer vorstehenden, für diesen Zweck günstigen Eigenschaften als überraschend anzusehen, da die höhere Warmstreckgrenze dispersionsgeharteter Metalle mit einer erheblichen Verringerung der Bruchdehnung, d.h. einer Versprödung erkauft werden muß, so daß diese an sich bekannten Werkstoffe dem Fachmann für einen stark gekerbten Baukörper, der im Betrieb Vibrationen ausgesetzt ist, also z.B. eine Raketenbrennkammer, ungeeignet erscheinen mußten. Überraschenderweise scheint aber die Versprödung in diesem Anwendungsfall nicht die im Apparatebau bekannte Versagensursache zu sein·

Gegenstand der Erfindung sind somit Wärmetauscher der eingangs bezeichneten Art, die dadurch gekennzeichnet sind, daß zumindest die Innenwand aus einem gut wärmeleitenden, dispersionsgehärteten Metall besteht·

Die Überlegenheit erfindungsgemäßer gegenüber bekannten Wärmetauschern ähnlicher Bauart zeigt folgendes Rechenbeispiel:

Eine herkömmliche Brennkammer, z.B. eine Brennkammer der aus der deutschen Patentschrift 1 751 691 bekannten Art habe eine 1 mm starke Innenwand aus einer CuAgZr-Legierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,73 cal/m * see. . ⁰C "-und einer zulässigen Festigkeit von 5 kp/ram bei 500⁰C und werde mit einer feuerkantenseitigen Innenwandternperatur von 500⁰C bei einem Wärmefluß von 1000 cal/cm² see. gefahren. Die kühlkanalseitige Innenwandtemperatur beträgt dann 363°C,

-12-509847/CK69

Ersetzt man bei dieser Brennkammer die Innenwand entsprechend der Lehre der Erfindung durch eine bei gleicher Sicherheit gegen Biegung und Kriechen bei 600⁰C möglichst dünnwandige Innenwand aus Dispersions-Kupfer mit einer zulässigen Festigkeit von 15 kp/mm²bei 600⁰C und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,6 cal/cm . see· . C, so ergibt sich eine Innenwandstärke von 0,6 mm und bei einer feuerkantenseitigen Innenwandtemperatur von 600⁰C eine kühlkanalkantenseitige Innenwandtemperatur von 500 C, die es bei gleicher Kühlkanalgeometrie und gleichem Kühlmittel ermöglicht, den Wärmefluß von 1000 cal/cm see· mit nur 66 % der hierfür bei der Brennkammer nach dem Stand der Technik erforderlichen Kühlmittelmenge abzuführen oder, anders gesagt, den Druckverlust im Kühlsystem auf 43 % zu verringern.

Dieser Vorteil läßt sich allerdings nur dann realisieren, wenn die Innenwand mit einer minimalen Fertigungstoleranz genau mit der zulässigen Mindestwandstärke von 0,6 mm gefertigt wird, was ausgehend von Schmiedeblöcken nur unter Einsatz teurer Maschinen und Anwendung aufwendiger Steuertechniken, bei der erfindungsgemäßen Fertigung der Innenwand durch Galvanoforraung dagegen ohne großen Aufwand möglich ist.

Die Lehre der Erfindung ist daher insbesondere bei Wärme- · tauschern mit weniger als 1 ram starken Innenwänden von Vorteil.

Als Innenwandmaterial wird erfindungsgemäß vorzugsweise dispersionsgehärtetes, galvanisch abgeschiedenes Kupfer verwendet, weil es außer allen Anforderungen genügenden mechanischen Güteeigenschaften eine im Vergleich zu anderen dispersionsgehärteten Metallen besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.

-13-

509847/0469

Der mit einem bestimmten Volumenprozentsatz eines Dispersoids zu erzielende Härtungseffekt hängt von der Durchschnittskorngröße des Dispersoids ab, weshalb erfindungsgemäß als Innenwandwerkstoffe dispersionsgehärtete Metalle bevorzugt sind, die ein Dispersoid mit einer im wirkungsvollsten Durchschnittskorngrößenbereich von etwa 0,01 bis 15 und insbesondere etwa 0,1 bis 10 ^um liegenden Durchschnittskorngröße enthalten. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Innenwandwerkstoffe ist darin zu sehen, daß - im Gegensatz zu auf andere Weise gehärteten Metallen und Legierungen - nicht nur ihre Zugfestigkeit, sondern auch ihre Streckgrenze beim Erhitzen auf bis knapp unter dem Schmelzpunkt liegende Temperaturen nur verhältnismäßig geringfügig abfällt, zumal die dadurch bedingte verhältnismäßig geringe Duktilität, wie gesagt, entgegen den Erwartungen bei den Wärmetauschern der Erfindung eher einen Vorteil und die Warmverformbarkeit beim Einsatz für die Zwecke der Erfindung keinen ins Gewicht fallenden Nachteil darstellt, da diese Werkstoffe erfindungsgemäß ohnehin durch Galvanoformung verarbeitet werden.

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft dispersionsgehärteter Metalle, daß nämlich ihre Rekristallisationstemperaturen meist erheblich höher liegen als diejenigen der jeweiligen Grund- oder Matrixmetalle, wirkt sich vor allem bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft aus, bei der zumindest die Innenwand während des Aufwachsens kugelgestrahlt und dadurch zusätzlich kaltverformung sgehärtet wird, weil durch die hohen Rekristallisationstemperaturen die auf diese Weise erzielte Kaltverformung shärtung auch bei extrem hohen Innenwandtemperaturen weitestgehend erhalten bleibt.

- 14 -

509847/0469

Kugelstrahlen während der galvanischen Abscheidung von Dispersionsschichten hat außerdem den Vorteil, daß dadurch Schwierigkeiten, die bei der Herstellung gerade derjenigen dispersionsgehärteten Metalle durch Galvanoformung auftreten, die wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet sind, praktisch restlos ausgeschlossen werden.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß es auch bei der Herstellung anderer Teile erfindungsgemäßer Wärmetauscher als der Innenwände durch Galvanoformung von Vorteil ist, die Galvanoformungsschicht laufend oder periodisch einer KugelStrahlungsbehandlung zu unterwerfen, und zwar auch dann _t wenn keine dispersionsgehärteten Metalle abgeschieden werden, weil durch das Kugelstrahlen einerseits eine Kaltverformungshärtung und andererseits auch bei großen Schichtdicken und ohne Glanzmittelzusätze im galvanischen Bad Galvanoformungsschichten mit einem feinkörnigen und homogenen Gefüge erzielt werden. Wegen der starken Abbremsung des Strahlgutes durch das Bad empfiehlt es sich, das Kugelstrahlen außerhalb des Bades durchzuführen, z.B. insbesondere bei rotationssymmetrischen Werkstücken so, daß man das Werkstück oder Substrat, auf dem eine Galvanoformungsschicht abgeschieden werden soll, so drehbar im Badbehälter anordnet, daß bei einer vollen Umdrehung jeder Teil der zu beschichtenden Fläche einmal über dem Badflüssigkeitsspiegel liegt, und die jeweils über dem Elektrolytspiegel liegenden Werkstückflächen kugelstrahlt.

Als dispersionsgehärtete galvanisch abgeschiedene Metalle sind für die Zwecke der Erfindung insbesondere diejenigen geeignet, die als Dispersoid mindestens ein vorzugsweise möglichst hochschmelzendes und im Matrixmetall möglichst schlecht fest lösliches Salz, Oxyd, Carbid, Borid, Silicid und/oder Nitrid des Titans, Wolframs, Zirkons, Aluminiums,

-15-

509847/0489

Siliciums, Hafniums, Bors, Chroms, Molybdäns und/oder eines Erdalkali- oder seltenen Erdmetalls und/oder Chrom, Wolfram, Titan, Zirkon und/oder Kohlenstoff und/oder eine harte intermetallische Verbindung enthalten. Beispiele bevorzugter Dispersoide sind Aluminiumoxyd, Bornitrid, Titancarbid, Kohlenstoff, Wolfram und Siliciumdioxyd.

Besonders geeignete Dispersoide sind sogenannte Whiskers, und zwar insbesondere dann, wenn sie mittels Kugelstrahlen in die sich aufbauende Galvanoformungsschicht eingebaut werden·

V/egen der guten Festigkeit der Verbindung zwischen der Innenwand und den Stegen sind erfindungsgemäße Wärmetauscher besonders bevorzugt, bei denen die Innenwand mit den Stegen einstückig ausgebildet ist. Solche Wärmetauscher kann man beispielsweise erhalten, wenn man in der aus den US-Patentschriften 2 889 258 bzw. 3 022 230 an sich bekannten Weise die Stege auf der Innenwand oder umgekehrt die Innenwand auf analog einer der aus den genannten US-Patentschriften oder der deutschen Patentschrift 1 751 691 bekannten Arbeitsweisen vorgefertigten Grundkörpern aus Außenwand und Stegen mit einer elektrisch leitenden oder zumindest mit einer leitenden Deckschicht versehenen Füllmasse ausgefüllten Kühlkanälen galvanisch abscheidet. Besonders zweckmäßig sind dabei Stege aus einem dispersionsgehärteten Metall·

Von Vorteil ist es weiterhin auch, wenn die Außenwand mit den Stegen einstückig ausgebildet ist. Vorteile ergeben sich auch dann, wenn die Außenwand aus einem dispersionsgehärteten Metall besteht.

Besonders zweckmäßig sind analog den aus der deutschen Patentschrift 2 015 024 bekannten Wärmetauschern ausgebildete erfindungsgemäße Wärmetauscher mit wellenförmigen bzw. im Querschnitt girlandenartig geformten Innenwänden·

-16-

509847/0469

Insbesondere dann, wenn die Innen- und/oder Außenwand aus einem anderen Material als die Stege besteht bzw. bestehen, kann es zweckmäßig sein, zwischen der Innen- und/oder der Außenwand einerseits und den Stegen andererseits eine verhältnismäßig dünnwandige, eine ausreichend feste Verbindung gewährleistende und auch die Kühlkanäle überdeckende Zwischenschicht aus einem galvanisch abgeschiedenen Metall vorzusehen·

Mit Hilfe solcher Zwischenschichten sowie gegebenenfalls Korrosionsschutzschichten aus bestimmten korrosionsbeständigen Metallen läßt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Problem lösen, das bei den erfindungsgemäßen, zumindest teilweise galvanisch hergestellten ebenso wie bei den weiter oben geschilderten, z.B. den aus der deutschen Patentschrift 1 751 691 bekannten Wärmetauschern besteht und im wesentlichen darauf beruht, daß die Werkstoffauswahl naturgemäß in erster Linie unter Berücksichtigung der Wärmetransport- und Festigkeitseigenschaften des Materials sowie der fertigungstechnischen Gegebenheiten getroffen werden muß und dabei die Wärmetauscher zumindest teilweise aus Metallen gefertigt werden müssen, die gegen die Treibstoffe und insbesondere die Oxydatoren der derzeit bekannten lagerungsfähigen Flüssigkeitsraketentreibstoffsysteme nicht ausreichend beständig sind. So weisen beispielsweise die Brennkammern gemäß der deutschen Patentschrift 1 751 691 gegenüber anderen bekannten Brennkammern außer zahlreichen vorteilhaften auch eine nachteilige Eigenschaft auf, .daß nämlich die für den Grundkörper und die Zwischenschicht verwendbaren Werkstoffe nur eine verhältnismäßig geringe Korrosionsbeständigkeit besitzen. Das gleiche gilt grundsätzlich auch für die Wärmetauscher der Erfindung, weil sich die Korrosionsbeständigkeit von Metallen beim Dispersionshärten in der Regel nicht nennenswert verbessern läßt. Durch die verhältnismäßig geringe Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe für die Wärmetauscher der

-17-509847/0469

Erfindung wird zwar ihre Brauchbarkeit in mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Flüssigkeitsraketentriebwerken nicht im geringsten beeinträchtigt, ihr Einsatz in mit sogenannten lagerungsfähigen flüssigen Treibstoffen betriebenen Raketentriebwerken wegen der starken Korrosivität der dabei verwendeten Oxydatoren, wie rote rauchende Salpetersäure und N₂^A* aber unmöglich·

Da mit lagerungsbeständigen flüssigen Treibstoffen betriebene Raketen wegen ihrer schnellen Einsatzbereitschaft mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Flüssigkeitsraketen auf allen Anwendungsgebieten, bei denen der StartZeitpunkt im Regelfall nicht längere Zeit im voraus festgelegt werden kann, grundsätzlich überlegen sind, wäre es natürlich außerordentlich vorteilhaft, wenn die Wärmetauscher der Erfindung so weiter ausgestaltet werden könnten, daß sie gegenüber bekannten Brennkammern nicht nur die vorstehend erläuterten vorteilhaften Eigenschaften von Brennkammern dieses Typs in vollem Ausmaß, sondern darüber hinaus auch Kühlkanäle besitzen, die gegen alle bekannten Oxydatoren flüssiger lagerungsfähiger Raketentreibstoffsysteme korrosionsbeständig und damit auch in Flüssigkeitsraketentriebwerken für lagerungsbeständige Treibstoffe einsetzbar sind· Die Angabe "korrosionsbeständig" wird nachfolgend stets in dem vorstehend definierten Sinn gebraucht·

Diese Aufgabe lösen Wärmetauscher nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kühlkanalwände aus einem korrosionsbeständigen metallischen Werkstoff, z.B. korrosionsbeständigem Stahl, einem Edelmetall, Insbesondere Gold, und/oder Aluminium bestehen·

Bevorzugte Wärmetauscher nach dieser Ausführungsform der Erfindung kann man beispielsweise erhalten, indem man zuncchst aus korrosionsbeständigem Stahl.oder - gegebenenfalls

-18-

509847/0469

— !.ο —

dispersionsgehärtetem - Aluminium einen Gruhdkörper herstellt, der aus den Stegen sowie gegebenenfalls der Außenwand besteht, die Kühlkanäle mit einer elektrisch leitenden Füllmasse ausfüllt, dann auf der innen- sowie gegebenenfalls der außenwandseitigen Grundkörperoberfläche eine verhältnismäßig dünnwandige Zwischenschicht aus Aluminium oder einem korrosionsbeständigen Edelmetall, insbesondere Gold, und auf dieser dann die Innen- bzw· die Außenwand galvanisch abscheidet. Dabei ist zu beachten, daß bei Zwischenschichten aus Aluminium, die sich nur aus aprotischen Lösungsmitteln abscheiden lassen, keine in organischen Lösungsmitteln lösliche Bestandteile enthaltenden Füllmassen, bei Zwischenschichten aus Edelmetallen dagegen keine niedrig-schmelzenden Metallegierungen als Füllmassen verwendet werden dürfen. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Möglichkeiten zur Herstellung von Wärmetauschern dieses Typs und ihrer Vorteile wird auf die Ausführungen in den gleichzeitig eingereichten Patentanmeldungen 7685 mit der Bezeichnung "Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" und 7686 mit der Bezeichnung "Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" bezug genommen, die mit den sich aus der Verschiedenheit des jeweiligen Innenwandmaterials ergebenden Unterschieden in vollem Umfang auch bezüglich der vorstehend angegebenen Ausführungsformen der Erfindung sinngemäß Gültigkeit haben.

Eine weitere besonders zweckmäßige Untergruppe der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Kühlkanalwänden aus korrosionsbeständigen Werkstoffen sind Wärmetauscher, deren Stege, Innenwände und gegebenenfalls Außenwände aus einem nicht-korrosionsbeständigen Metall, insbesondere Kupfer, bestehen bzw. ein solches Metall als Hauptkomponente enthalten, und bei denen die nicht von einer Zwischenschicht

-19-

50S947/Q469

gebildeten Kühlkanalwände mit einer galvanisch abgeschiedenen, dünnwandigen Korrosionsschutzschicht aus Aluminium oder einem korrosionsbeständigen Edelmetall, insbesondere Gold, überzogen sind·

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Wärmetauscher mit aus Gold oder einem anderen korrosionsbeständigen Edelmetall bestehenden Korrosionsschutzschichten und Zwischenschichten aus dem gleichen oder einem gleichartigen Werkstoff ist darauf zu achten, daß die mit einer Zwischenschicht zu überziehenden Stegoberflächen von Korrosionsschutzschichtmaterial freigehalten oder vor dem Abscheiden der Zwischenschicht befreit und außerdem so abgeätzt werden, daß die Korrosionsschutzschicht etwa 5 bis 120 yum übersteht. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Herstellung, speziellen Ausgestaltung und Vorteile von Wärmetauschern dieses Typs wird auf die entsprechenden Ausführungen in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung 7685 mit der Bezeichnung "Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" hingewiesen, die mit den sich aus den bezüglich Material und Herstellung der Innen- sowie gegebenenfalls der Außenwand und/oder der Stege bestehenden Unterschieden auch in bezug auf erfindungsgemäße Wärmetauscher sinngemäß volle Gültigkeit haben. So sind insbesondere die in dieser Patentanmeldung beschriebenen mehr-, vorzugsweise dreilagigen Zwischenschichten auch bei erfindungsgemäßen Wärmetauschern vorteilhaft.

Analog wird bezüglich der Einzelheiten der Herstellung, Ausbildung und Vorteile von erfindungsgemäßen Wärmetauschern mit Korrosionsschutzschichten und/oder Zwischenschichten aus Aluminium auf die Ausführungen in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung 7686 mit der Bezeichnung

-20-

509847/0469

"Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" bezug genommen, die sinngemäß auch auf die entsprechenden Ausfuhrungsformen der Erfindung und deren Herstellung anwendbar sind·

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher (Brennkammer mit Schubdüse) im Längsschnitt,

Figur 2 einen Schnitt nach der Linie II/II der Fig. 1 und

Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht nach Fig. 2.

Der in Figur 1 dargestellte Wärmetauscher (Brennkammer mit Schubdüse) besteht im wesentlichen aus einer aus galvanisch abgeschiedenem, dispersionsgehärtetem Kupfer bestehenden Innenwand I₁ die mit darauf galvanisch abgeschiedenen Stegen 3 aus Kupfer einen Grundkörper bildet, der in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 2 aufweist. Die im Grundkörper liegenden Wandflächen der Kühlkanäle 2 sind mit galvanisch darauf abgeschiedenen, in den Figuren 1 und 2 nicht erkennbaren Korrosionsschutzschichten 6 aus Gold überzogen. Die Kühlkanäle 2 und die Oberseiten der Stege sind mit einer praktisch vollständig geschlossenen Zwischenschicht 4 abgedeckt, die von einem darauf galvanisch abgeschiedenen, verhältnismäßig dickwandigen Druckmantel 5 aus Kupfer, Nickel, einer Nickel-Kobalt-Legierung oder einem gleichwerten Material umhüllt ist (Figur 2).

Aus der in Figur 3 wiedergegebenen, vergrößerten Ansicht eines Schnitts durch einen Ausschnitt eines erfindungs-

-21-

509847/0469

gemäßen Wärmetauschers, quer zu den Kühlkanälen 2 ist zu ersehen, daß die Stärke der Korrosionsschutzschicht 6 längs der Wand der Stege 3 von oben nach unten hin abnimmt und im Bereich der Kante zwischen den Seitenwänden und den Böden der Kühlkanäle 2, die bei der dargestellten Ausführungsform nahezu rechtwinklig aneinanderstoßen, außerordentlich dünn ist. Weiterhin ist aus Figur 3 zu ersehen, daß die Korro— sionsschutzschichten 6 etwas über die Stege 3 hinausragen und- daß die bei der dargestellten Ausführungsform einlagige Zwischenschicht 4 ungleichmäßig stark ist und dort, wo sie die Korrosionsschutzschicht 6 berührt, eine deutlich erkennbare Dünn- bzw.' Nahtstelle aufweist. Ferner ist in Figur 3 zu erkennen, daß der auf den Stegen 3 liegende Teil der Zwischenschicht 4 an den Außenseiten der Oberseiten der Stege 3 dünner als im mittleren Bereich der Oberseiten der Stege 3 ist, sowie daß die Zwischenschicht 4 in dem über der stegseitigen Oberkante der Korrosionsschutzschicht 6 liegenden Bereich wulstartig verdickt ist und den über die Stege 3 hinausragenden Teil der Korrosionsschutzschicht 6 kappenartig übergreift.

P atentansprüche:

-22-

509847/0469

Claims

Patentansprüche

Thermisch und mechanisch hochbelastbare Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke, bestehend aus einerdurch Galvanoformung hergestellten feuerkantenseltigen Innenwand und einer Außenwand sowie zwischen der Innen- und der Außenwand verlaufenden, von mindestens einem Kühlmedium, insbesondere mindestens einer Treibstoffkoraponente durchströmbaren Kühlkanälen, die durch insbesondere mit der Innen- und/oder der Außenwand einstückige Stege voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest die Innenwand (1) aus einem gut wärmeleitenden, dispersionsgehärteten Metall besteht.

2· Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenwand (l) eine Wandstärke von weniger als etwa 1 mm besitzt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest die Innenwand (1) aus dispersionsgehärtetem Kupfer besteht.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das dispersionsgehärtete Metall ein Dispersoid mit einer Durchschnittskorngröße von etwa 0,01 bis 15, insbesondere etwa 0,1 bis 10 _#um enthält.

-23-

S09847/Ö&6S

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das dispersionsgehärtete Metall als Dispersoid mindestens ein Oxyd, Carbid, Borid, Nitrid und/oder Silicid des Titans, Wolframs, Zirkons, Aluminiums, Siliciums,-Hafniums, Chroms und/oder Bors und/oder Wolfram, Titan, Zirkon, Chrom und/oder Kohlenstoff und/oder eine harte intermetallische Verbindung enthält.

6· Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stege zwischen den Kühlkanälen mit der Innenwand einstückig sind, dadurch gekennzeichnet _y daß die Stege (3) aus galvanisch abgeschiedenem, insbesondere dispersionsgehärtetem Metall bestehen.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Außenwand aus einem galvanisch abgeschiedenen Metall, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenwand (5) aus dispersionsgehärtetem Metall besteht·

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine wellenförmig ausgebildete Innenwand (1), deren zur Außenwand (5) hin gewölbte Wellenkämme mit dieser einstückig sind und die Stege (3) bilden.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest die Innenwand durch Kugelstrahlen während der galvanischen Abscheidung durchgehend kaltverformungsgehärtet ist.

509847/0469

10_β Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens eine Zwischenschicht (4) aus einem galvanisch abgeschiedenen Metall zwischen den Stegen ( 3) und der Innenwand (l5 und/oder der Außenwand (5), mit der Maßgabe, daß die Zwischenschicht(en) (4) die über den Kühlkanälen (2) liegenden Flächen der Innen- und/oder Außenwand bedeckt bzw· bedecken.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Wände der Kühlkanäle (2) aus einem gegen die Komponenten, insbesondere die Oxydatoren lagerungsbeständiger Flüssigkeitsraketentreibstoffe beständigen metallischen Werkstoff, insbesondere korrosionsbeständigem Stahl, einem Edelmetall, insbesondere Gold, und/oder Aluminium, bestehen·

12- Wärmetauscher nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenschicht (en) (4) zumindest auf ihrer den Kühlkanälen (2) zugewandten Seite aus Aluminium, Gold oder einem äquivalenten korrosionsbeständigen Edelmetall in einer praktisch vollkommen geschlossenen, vorzugsweise mindestens etwa 8 um starken Lage (4a) besteht bzw· bestehen.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die nicht von einer Zwischenschicht (4) gebildeten Kühlkanalwände mit einer galvanisch abgeschiedenen, dünnwandigen Korrosionsschutzschicht (6) aus Aluminium oder einem korrosionsbeständigen Edelmetall, insbesondere Gold, bedeckt sind.

509847/0469

14· Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern nach

_seinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e η η — zeichnet , daß man zumindest die Innenwand durch galvanisches Abscheiden eines dispersions— gehärteten Metalls herstellt·

15· Verfahren nach Anspruch 14₁ dadurch g e k e η η zeichnet , daß ein dispersionsgehärtetes Metall mit sich im Verlauf der Abscheidung änderndem Dispersoid und/oder Dispersoidgehalt abgeschieden wird·

509847/0463

Leerseite