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Verfahren zur Herstellung metallischer Körper
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aus einer Vielzahl von Metallscheiben Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Herstellung metallischer Körper aus einer Vielzahl von einer
vorgegebenen Querschnittsform des Körpers angepaßter Metallscheiben, die aneinandergefügt
und miteinander fest verbunden werden.
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Die Herstellung von metallischen Körpern ist insbesondere dann aufwendig,
wenn die Form der Körper mathematischen Funktionen angepaßt werden soll, die unter
Berücksichtigung physikalischer Gesetzmäßigkeiten als optimale Raumform des Körpers
ermittelt worden sind. Besondere Schwierigkeiten bei der Herstellung bereiten innerhalb
von Wandungen der Körper vorzusehende Aussparungen, die einen Exponential-Funktionen
angepaßten Verlauf aufweisen sollen, wie dies etwa bei innerhalb von Wandungen verlaufenden
Kühlmittelleitungen der Fall ist, die in gleichmäßigem Abstand von einer gekrümmten
Oberfläche geführt werden sollen.
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Eine Formgebung dieser Art ist beispielsweise bei einem Schmelz tiegel
erforderlich, bei dem hochschmelzende Metalle induktiv und durch Erzeugen eines
Magnetfeldes frei schwebend geschmolzen werden (vergleiche Laboratory Methods, 1963,
Seiten 301 ff.; Metals Research-Advance Information, "H.C.C. 50 Cold Crucible")
In
solchen sogenannten "Kaltschmelztiegeln" müssen die Tiegelwandungen ausreichend
gekühlt werden. Eine wünschenswerte Anpassung der Kühlmittelleitungen an an sich
bekannte, die Wärmeableitung fördernde Ausbildungen, insbesondere das Verlegen der
Kühlmittelleitungen unter Berücksichtigung des Verlaufes der inneren Oberfläche
des Schmelztiegelbodens konnte bei Kaltschmelztiqeln bisher nur in ungenügender
Weise vorgenommen werden (vergleiche hierzu R.F. Bunshah, Techniques of Metals Research",
Copyright by John Wiley, 1968).
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Ein weiteres Beispiel für Körper, deren Herstellung einen hohen Aufwand
erfordert, sind metallische Wärmetauscher, die große Wärmeaustauschflächen pro Volumen
aufweisen sollen. Bei solchen Wämetauschern ist eine Vielzahl dünnwandiger Führungskanäle
für die im Wärmeaustausch stehenden Medien vorzusehen, um für einen hohen Wärmeübergang
zwischen den Medien zu sorgen. Die Herstellung solcher Wärmetauscher aus Metall
ist äußerst kostspielig.
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Zur Herstellung von elektrischen Widerstandselementen, von Rotoren
oder Statoren elektrischer Maschinen oder von Transformatorkernen ist es bekannt,
gestanzte oder in fotochemischen Verfahren geätzte Formbleche aus magnetischen Werkstoffen
zu verwenden und durch Verkleben einer Vielzahl von Formblechen kompakte Körper
zu bilden.
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Die einzelnen Formbleche entsprechen dabei vorgegebenen Querschnittsformen
der zu erzeugenden Körper. Als Klebemittel werden bevorzugt den elektrischen Widerstand
der Körper erhöhende Stoffe verwandt. Abgesehen davon, daß solche Klebemittel für
die Herstellung metallischer Körper, die über die Haltbarkeitstemperatur der Klebemittel
erhitzt werden sollen, nicht verwendbar sind, ist darüber hinaus nachteilig, daß
die Klebemittel vor dem Zusammenfügen der einzelnen Formbleche zu Blechpaketen aufgetragen
werden müssen, was die Montage der Formbleche erschwert. Auch lassen sich Klebemittel
für Körper, die im Ultrahochvakuum eingesetzt werden sollen, nicht anwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von metallischen
Körpern aus einer Vielzahl einzelner, einer vorgegebenen Querschnittsform des Körpers
angepaßten Metallscheiben zu schaffen, nach dem auch hitzebeständige, metallisch
kompakte Körper in einfacher Weise herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der oben angegebenen Art gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß geätzte Metallscheiben mittels Spannvorrichtungen
zu einem Scheibenpaket verspannt werden und daß in an sich bekannter Weise Lotmaterial
in einer Menge, die ausreichend ist, um Zwischenräume zwischen aufeinanderliegenden,
miteinander zu verbindenden Bereichen der Metallscheiben auszufüllen, auf Fugen
zwischen den
miteinander zu verbindenden Bereichen aufgetragen und
gegebenenfalls Flußmittel hinzugegeben werden,daß im Anschluß daran das Scheibenpaket
auf Schmelztemperatur des Lotmaterials erhitzt wird und nach Ausfüllen der Zwischenräume
mit Lot wieder abgekühlt wird. Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten
Metallscheiben werden bevorzugt nach fotochemischen Verfahren hergestellt, wobei
gratlose Formteile entstehen. Das Lotmaterial dringt beim Erhitzen des Scheibenpaketes
infolge Kapillarwirkunc in die Zwischenräume zwischen den aufeinanderliegenden Bereichen
der Metallscheiben ein. Das Lotmaterial wird auf das Scheibenpaket von außen aufgetragen.
Bevorzugt wird es auch in das Scheibenpaket durchdringende Hohlräume gefüllt, die
entweder gesondert vorgesehen oder nach Verlöten des Körpers Nutzräume, zum Beispiel
Kühlmittelleitungen bilden. Die Menge des Lotmaterials wird so dosiert, daß die
Zwischenräume zwischen den miteinander zu verbindenden Bereichen der Metallscheiben
ausgefüllt werden.
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Das Scheibenpaket wird vorzugsweise unter Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre
unter Verwendung eines zum Verlöten im Vakuum oder zum Verlöten unter Schutzgas
geeigneten Lotmaterials verlötet. Dabei bleiben Zwischenräume größerer Abmessung
als 0,1 mm, wie zum Beispiel auszubildende Kühlkanäle frei. Gegebenenfalls im Überschuß
vorhandenes Lotmaterial tropft ab.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung
schematisch wiedergegeben sind, näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 Kaltschmelztiegel in perspektivischer Darstellung,
mit Teilschnitt Figur 2 Längsschnitt durch einen Kaltschmelztiegel nach dem Verlöten
Figur 3 Metallscheibe zur Herstellung eines Kaltschmelztiegels nach Figur 2 Figur
4 rekuperativer Gec-enstrom-Wärmetauscher Figur 5 Wärmeleitscheibe Figur 6 Distanzscheibe
Ausführungsbeispiel 1 In Figur 1 ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter
Kaltschmelztiegel dargestellt. Eine einzelne Metallscheibe zur Herstellung des in
Figur 2 wiedergegebenen Oberteils 1 des Kaltschmelztiegels zeigt Figur 3.
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Der gewünschten Querschnittsform des Kaltschmelztiegels entsprechend
wurden zunächst eine Vielzahl von Metallscheiben 2 in fotochemischem Verfahren hergestellt.
Fotochemisch sind 0,1 bis 3 mm dicke Metallscheiben bearbeitbar. Je dünner die Metallscheiben
sind, um so feinere Ätzprofile lassen sich erzeugen. Die gratlosen Metallscheiben
2, die vor ihrem Zusammenbau zur Entfernung von Oxidschichten noch geätzt wurden,
werden auf Dorne aufgezogen, von denen in Figur 2 ein Dorn 3 strichliniert dargestellt
ist. Die in entsprechende Ausnehmungen
3a der Metallscheiben 2
eingeführten Dorne 3 dienen zugleich der Zentrierung. Die Metallscheiben 2 bilden
das Oberteil 1 des Kaltschmelztiegels und wurden mittels der Dorne 3 mit einer Bodenplatte
4 des Kaltschmelztiegels verspannt. In Hohlräume 5, die nach Fertigstellung des
Kaltschmelztiegels Kühlkanäle bilden, wurde Lotmaterial eingefüllt. Als Lotmaterial
wird ein für das Verlöten in Vakuum geeignetes Lot verwendet, in#Ausführungsbeispiel
ein unter der Handelsbezeichnung SCP-Lot 1 bekanntes Lotmaterial auf Kupfer-Silber-Basis.
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Der verspannte Körper wird anschließend im Vakuum verlötet. Das Lotmaterial
dringt infolge Kapillarwirkung in die Zwischenräume mit einer Spaltbreite unter
0,1 mm zwischen den aufeinanderliegenden, miteinander zu verbindenden Bereichen
der Metallscheiben ein.
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Überschüssiges Lotmaterial fließt ab. Zur Aufnahme des überschüssigen
Lotmaterials wird Metallschwamm eingesetzt. Nach Abkühlen im Vakuum erhält man den
in Figur 2 dargestellten, metallisch kompakten Körper.
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Als weiterer Fertigungsschritt zur Herstellung des Kaltschmelztiegels
schließt sich noch ein spanabhebender Arbeitsvorgang an. Der Kaltschmelztiegel weist
radiale Schlitze 6 auf, die sich bis zur Bodenplatte 4 des Kaltschmelztiegels ausdehnen
und die Tiegelwandung in eine Vielzahl von Segmenten 7 aufteilen, die einen sich
nach innen verjüngenden, ein Zentralloch 8 am Boden aufweisenden Schmelzraum 9 bilden.
Die Schlitze 6 werden
mit einem Harz ausgegossen, im Ausführungsbeispiel
mit einem unter dem Handelsnamen Apiecin bekannten Harz.
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Dann wird der in Figur 2 dargestellte Körper von außen so weit abgedreht,
bis die Schlitze 6 freigelegt sind.
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Das die Schlitze ausfüllende Harz wird mit einem Lösungsmittel, im
Ausführungsbeispiel mit Trichloräthylen wieder entfernt.
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Die innere Oberfläche des Kaltschmelztiegels kann mit Gold oder Rhodium
beschichtet oder gebeizt und passiviert werden. Die Form der Oberfläche ist den
für das induktive Schmelzen der Metalle einzuhaltenden Bedingungen optimal angepaßt.
Die Kühlkanäle sind so angeordnet, daß bei Betrieb einer den Kaltschmelztiegel umgebenden
Hochfrequenz-Spule 10 eine ausreichende Kühlung der Tiegelwandungen erfolgt. In
Figur 1 und 2 sind Zuleitungsrohre 11 für die Zuführung von Kühlmittel eingezeichnet,
die nachträglich in die Kühlkanäle eingeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bevorzugt zur Herstellung
eines Kaltschmelztiegels mit radialen Schlitzen 6, deren Breite maximal 0,5 mm beträgt,
und einem Zentralloch 8 mit einem Durchmesser von maximal 4 mm. Schlitzbreite und
Durchmesser des Zentralloches 8 bestimmen die Anzahl der Segmente 7 der Tiegelwandung.
Es wird eine möglichst hohe Anzahl von Segmenten angestrebt, um die transformatorische
Wirkung bei Betrieb der Hochfrequenz-Spule 10 zu erhöhen. Bei einer Schlitzbreite
von 0,5 mm und einem Zentrallochdurchmesser von 3 mm weist der Kaltschmelztiegel
20 Segmente auf. Der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte
Kaltschmelztiegel arbeitet daher mit hohem thermischem Wirkungsgrad. Der gering
gehaltene Durchmesser des Zentralloches 8 ermöglicht darüber hinaus in vorteilhafter
Weise auch die Verarbeitung niedrig schmelzender Metalle, ohne daß nach Abschalten
der Hochtequenz-Spule die erschmolzene Charge in unerwünschter Weise durch das Zentralloch
hindurchtritt.
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Ausführungsbeispiel 2 In Figur 4 ist schematisch ein nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellter Wärmetauscher dargestellt. Der Wärmetauscher ist geeignet
für den Wärmeaustausch zwischen 2 oder 3 Medien. Der Wärmetauscher weist drei gasdicht
nebeneinander abgeschlossene, von je einem der Medien durchströmbare Kammern auf,
einen Zentralraum 12 und zwei den Zentralraum koaxial umgebende Ringräume 13,14.
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Im Ausführungsbeispiel sind der Wärmeleitung dienende Wärmeleitscheiben
15 und Distanzscheiben 16, die gesondert in Figur 5 und 6 dargestellt sind, in Richtung
der Achse 17 des Wärmetauschers in abwechselnder Reihe folgen hintereiander angeordnet.
Wärmeleitscheiben 15 und Distanzscheiben 16 werden nach einer Ätzbehandlung zur
Entfernung von Oxidschichten auf Dorne aufgezogen und zentriert. Die Dorne werden
in Ausnehmungen 18 den Scheiben zugeführt. Das so gebildete Scheibenpaket wird mit
Deckelteilen 19 verspannt, an
denen Rohrstutzen 20 für den Anschluß
von Leitungen für die im Wärmeaustausch stehenden Medien angebracht sind.
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Die Fugen des SCheibenpaketes werden von außen mit Lotmaterial bedeckt.
Auch in gegebenenfalls hierfür vorgesehenen kanalartigen Hohlräumen in Scheibenpaket
und Deckelteilen wird Lotmaterial eingefüllt.
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Als Lotmaterial wird das im Ausführungsbeispiel 1 genannte Lot eingesetzt.
Verwendbar ist aber auch ein Lotmaterial zum Löten unter Schutzgasatmosphäre, wie
zum Beispiel Lotmaterial auf Kupfer-Zink-Basis.
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Der verspannte Körper wird im Vakuum verlötet. Nach Abkühlen im Vakuum
erhält man einen gasdichten, metallisch kompakten Wärmetauscher. Der Wärmetauscher
zeichnet sich insbesondere durch seine große Wärmeaustauschfläche pro Volumeneinheit
aus.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf hier beschriebene
Ausführungsbeispiele nicht begrenzt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vielmehr
mit Vorteil überall dort angewandt, wo geometrisch komplizierte Körper als Gußteile
oder in spanabhebender Bearbeitung nur unter großem wirtschaftlichem Aufwand erzeugbar
sind. Insbesondere lassen sich in einfacher Weise Körper herstellen, deren Wandungen
feinste Durchdringungen und Strukturen aufweisen, wie unregelmäßige Hohlräume, Durchbrüche
oder Einschnitte bis zu kleinsten Größenordnungen von 0,2 mm.