DE4322431A1 - Kühlstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Kühlstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlstruktur aus metallischem Werkstoff mit eingearbeiteten Kühlkanälen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Bekannte Kühlstrukturen weisen auf der der Wärmequelle abge­ wandten Seite einer zu kühlenden Wand Kühlkanäle auf, durch die ein Kühlmedium fließt. Diese Kühlkanäle sind entweder in die Wand eingearbeitet oder in Form von Kühlrohren auf die zu küh­ lende Wand aufgeschweißt oder aufgelötet. Das Wandmaterial richtet sich dabei im Wesentlichen nach der Art der Wärmequel­ le, wobei für chemische Apparaturen mit Reaktionswärmequellen auch Glas- oder Keramikwände zu kühlen sind. Diese haben den Vorteil, daß sie hohen Temperaturen standhalten und keine große Kühlleistung erfordern. Nachteilig ist jedoch, daß Glas- und Keramikwände sehr spröde sind und unter mechanischer Biegebela­ stung brechen, sowie temperaturschockempfindlich sind, außerdem ist ihr Wärmeleitvermögen äußerst gering.
Metallische Kühlstrukturen sind aus der Patentanmeldung DE-PA-41 37 636.2-44 bekannt. Diese haben den Nachteil, daß sie sehr komplex aufgebaut sind und bei Temperaturen und mechanischen Belastungen, wie sie an Wänden einer Heißgasturbine, einer Raketendüse oder eines Hyperschallantriebs auftreten, aus weni­ ger wärmeleitfähigem hochtemperaturfesten, hochlegierten Metal­ len wie beispielsweise Kobalt- oder Nickelbasislegierungen aufgebaut sind, um sowohl den thermischen wie auch den mechani­ schen Belastungen Stand zu halten. Diese Materialien haben nicht nur den Nachteil einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, sondern sind auch sehr teuer und schwierig zu bearbeiten.
Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Silber oder Gold sind als Edelmetalle für obige technische Anwendung unerschwinglich. Kupfer und Aluminium und ihre Legierungen verfügen zwar auch über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, haben aber den Nachteil, daß sie mechanisch bei erhöhter Temperatur geringe mechanische Fe­ stigkeiten aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb eine Kühlstruktur und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die hohe Wärmeleitfä­ higkeiten bei verbesserter mechanischer Festigkeit aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst, mittels einer Kühlstruktur, die als Mehr­ schichtplatte aus Deckplatten und einer Kernschicht ausgebildet ist, wobei die Kernschicht eine Faserstruktur mit wärmeleiten­ dem Matrixmetall, in welche die Kühlkanäle eingebettet sind, umfaßt.
Diese Kühlstruktur hat den Vorteil, daß als tragende und küh­ lende Kernschicht eine Faserstruktur eingesetzt wird, die es erlaubt, einerseits billige Materialien als Matrixmetalle oder Deckplattenwerkstoffe einzusetzen und zusätzlich eine hohe Wär­ meleitfähigkeit zu erreichen und schließlich aufgrund der Fa­ serstruktur eine extreme mechanische Festigkeit zu verwirkli­ chen.
Für diese Struktur werden als wärmeleitende Metalle die bekann­ ten Buntmetallen, vorzugsweise Bronze, Messing, Kupfer, Alu­ minium oder Legierungen derselben eingesetzt. Die Struktur hat damit den Vorteil, daß preiswerte Werkstoffe angewandt werden können.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Faser­ struktur mehrere Faserlagen auf, wobei die Fasern in der Faser­ struktur in Richtung der betriebsbedingten Zugspannungen ausge­ richtet sind. Ein Verwölben oder Verwerfen der Kühlstruktur wird damit vorteilhaft verhindert. Da die Kühlkanäle innerhalb der Faserstruktur angeordnet sind und damit die Kernschicht schwächen, weist die Kernschicht zu den Deckplatten hin durch­ gehende, von Kühlkanälen freie geschlossene Faserlagen auf, was eine sichere Aufnahme mechanischer Belastungen durch die Faser­ struktur ermöglicht.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung um­ schließt ein metallischer Rahmen die Kernschicht allseitig. Auf diese Weise wird eine an allen Rändern schweiß- oder lötbares Wandelement erhalten, das durch den metallischen Rahmen vor­ teilhaft nach allen Seiten gleichwertige Weiterbearbeitungs- und Montagemöglichkeiten zuläßt. Der Rahmen, der die Kern­ schicht an den Seiten der Kühlstruktur abschließt kann ein integraler Bestandteil einer der Deckplatten sein oder durch seitliches Abwinkeln einer der Deckplatten gebildet werden oder aus einem vorgefertigten Rahmenelement bestehen.
Die Faserstruktur weist vorzugsweise Verbundfasern auf, die aus Faserkernen und metallischen Faserbeschichtungen bestehen, wobei die Faserbeschichtungen vorzugsweise aus artgleichen me­ tallischen Werkstoffen wie die Deckplatten sind. Das hat den Vorteil, daß sich mit einfachen Verarbeitungsmitteln ein Ver­ bundwerkstoff als Kernschicht ausbilden läßt, indem die metal­ lischen Faserbeschichtungen untereinander verlötet, ver­ schweißt, gesintert, verdichtet oder zusammengepreßt werden, so daß vorzugsweise die Faserstruktur eine kompakte Kernschicht aus dichtem wärmeleitendem, metallischen Matrixmaterial mit Fasern und eingebetteten Kühlkanälen bildet. Das Matrixmaterial kann dabei ausschließlich von den vorhandenen Faserbeschichtun­ gen stammen oder vollständig zugegeben oder teilweise der be­ schichteten Faserstruktur zugegeben worden sein. Dabei bestehen die Fasern oder Faserkerne vorzugsweise aus Kohlenstoff oder Siliziumkarbid. Diese Fasermaterialien haben sich als beson­ ders vorteilhaft in Matrixwerkstoffen aus Bundmetallen erwie­ sen, da sie eine gut Wärmeleitfähigkeit und gute Haf­ tungseigenschaften aufweisen und da keine Feststoffreaktionsef­ fekte zwischen Fasermaterial und Matrixwerkstoff bei Betriebs­ temperaturen auftreten.
Die in die Kernschicht eingebetteten Kühlkanäle werden vorzugs­ weise von einer der beiden Deckplatten, die als Trägerplatte ausgebildet ist, aufgenommen. Dazu kann die Oberfläche der Trägerplatte vorteilhaft mit Kühlkanalnuten strukturiert sein und/oder Aussparungen für die Kernschicht aufweisen, die bei der Endmontage von der zweiten Deckplatte in einfacher Weise abgedeckt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die Kühlkanäle als Kühlrohre ausgebildet. Das hat den Vorteil, daß in die Oberfläche der Trägerplatte keine spezielle Struktur für Kühlkanäle eingearbeitet werden muß, sondern die Trägerplatte vorzugsweise lediglich Bohrungen zur Aufnahme von Kühlrohrenden aufweisen muß. Die Kühlrohre können dann parallel und dicht nebeneinander auf der Trägerplatte angeordnet sein. Die Anschlußenden der Kühlrohre für die Zu- und Ableitung des Kühl­ mediums sind durch die Bohrungen in der Trägerplatte gesteckt, so daß die Enden der Kühlrohre winklig aus dieser Deckplatte herausragen. Zwischen, über und unter den Kühlrohren ist die Faserstruktur positioniert und bildet mit den in die Faser­ struktur eingebetteten Kühlrohren die Kernschicht. Die Kern­ schicht kann zur Abgrenzung der Kühlstruktur als Wandelement für einen Heißgasstrom einen metallischen Rahmen aufweisen, der mit der Kernschicht auf die Trägerplatte aufgebracht wird, um diese vorteilhaft an den Rändern abzuschließen, ohne daß die Fasern oder Faserkerne der Faserstruktur an den Rändern mit dem Heißgasstrom in Berührung kommen, so daß die Fasern oder Faser­ kerne vor Oxidation, Erosion und Korrosion geschützt sind.
Die Bohrungen können auch in einer der Deckplatten angeordnet sein, was vorteilhafterweise erlaubt, Anschlußstücke zur Zu- und Ableitung des Kühl­ mediums zu den Kühlkanälen aufzunehmen, wobei die Anschlußstücke vorzugs­ weise winklig aus einer der Deckplatten herausragen. Das hat den Vorteil, daß die Wandelemente zu einer gekühlten Wand an ihren Rändern zusammen­ fügbar sind und die Anschlüsse für die Zu- und Ableitung des Kühlmediums nicht dem Heißgasstrom ausgesetzt sind. Außerdem läßt sich ein serielles oder paralleles Verbinden der Anschlüsse zu einer Kühlwand kostengünstig herstellen, da alle Anschlüsse leicht zugänglich auf der dem Heißgasstrom abgewandten Seite angeordnet sind.
Die Verbindung der Anschlüsse untereinander erfolgt vorzugs­ weise durch Verbindungsrohre oder Verbindungskanäle, die aus Werkstoffen hergestellt sind, die einerseits verminderte Korro­ sion und Feststoffreaktionen mit der Umgebung bzw. mit dem Werkstoff der Kühlstruktur aufweisen und andererseits vermin­ derte Feststoffreaktionen mit dem Werkstoff der Tragkonstruktion zeigen. Beispielsweise haben sich Verbindungsrohre aus Edel­ stahl mit einem Chromgehalt im Eisen von mehr als 13% für die Kühlanschlüsse aus einer Kupferlegierung bewährt. Diese Edel­ stahlrohre sind mit der Tragkonstruktion aus beispielsweise einer Titanlegierung derart verbunden, daß die Kühlstruktur aus einer Kupferlegierung mit kohlefaserverstärkter Kernschicht in Position gehalten wird.
Als Kühlmedium wird für Wandelemente zur Steuerung und Rich­ tungsänderung eines Heißgasstromes in Triebwerken oder zur Änderung und betriebsbedingten Anpassung von Düsenquerschnitten Wasserstoff eingesetzt, der vorzugsweise in den gekühlten Wandelementen für Hyperschalltriebwerke, Raketentriebwerke oder wasserstoffgetriebene Triebwerke gleichzeitig für die Verbren­ nung vorgewärmt wird, so daß die Kühlstruktur gleichzeitig eine Wärmetauscherfunktion erfüllt.
Die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kühlstruktur anzugeben, wird mit folgenden Verfahrenschritten gelöst:
  • a) Herstellen einer Trägerplatte aus wärmeleitendem Material mit Bohrungen zur Aufnahme von Anschlußstücken für Kühlka­ näle oder von Kühlrohrenden,
  • b) Belegen der Trägerplatte mit einer ersten Faserlage unter Aussparung von Fügeflächen im Randbereich der Trägerplatte und der Bohrungen,
  • c) Einsetzen der Kühlrohre mit abgewinkelten Kühlrohrenden oder einer Kühlkanalstruktur in die Bohrungen und Ausspa­ rungen,
  • d) Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Kühlrohren oder den Kühlkanälen mit weiteren Faserlagen zu einer Kern­ schicht,
  • e) Fügen der Trägerplatte unter Einschluß der Kernschicht mit einer Deckplatte zu einer Kühlstruktur.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es nur kostengünstige Verfahrensschritte aufweist und Möglichkeiten bietet, auf ein­ fache Weise eine hochtemperaturfeste formstabile Kühlstruktur aus relativ weichen Buntmetallen zu realisieren. Außerdem ist das Verfahren in einzelne Fertigungsschritte gegliedert, die sowohl eine automatisierte aus auch eine Massenfertigung zulas­ sen.
Vor dem Fügen kann die Deckplatte mit einer Faserlage unter Aussparung von Fügeflächen im Randbereich belegt werden, um vorteilhaft die Kernstruktur auch zur Deckplatte hin mit einer geschlossenen Faserstruktur auszustatten, so daß die Kühlkanäle oder Kühlrohre vollständig in der Faserstruktur eingebettet sind. Diese geschlossene Faserlage kann auch als Abschluß der Kernstruktur vor dem Fügen der Deckplatte auf die Kühlkanäle oder Kühlrohre gelegt werden.
Werden als Faserstruktur unbeschichtete Faserkerne oder nur minimal beschichtete Fasern eingebracht, so daß sich beim Fügen der Schichten zu einer Kühlstruktur keine geschlossene Metall­ matrix zwischen den Faserkernen oder Fasern ausbilden kann, so werden vorzugsweise vor dem Fügen die Hohlräumer in der Faser­ struktur aus artgleichem Material wie die Trägerplatte durch Einschlämmen, Infiltrieren, Aufstäuben oder Abscheiden aufge­ füllt. Das hat den Vorteil, daß auf bekannte Verfahren aus der Pulvermetallurgie zurückgegriffen werden kann, um zwischen den Fasern oder Faserkernen beim Fügen eine geschlossene Metall­ matrix herzustellen.
Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird die Deckplatte und die Trägerplatte unter Einschluß der Kernschicht mittels Schweißen oder Löten zu einem nicht kompaktierten Wand­ element gefügt. Die Kompaktierung wird danach durch ein heißi­ sostatisches Pressen des nichtkompaktierten Wandelementes er­ reicht.
Eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens besteht darin, die Anschlußstücke oder die Rohrenden beim Fügen gasdicht mit den Bohrungen der Trägerplatte zu verbinden, so daß vorteilhaft kein Gasaustausch über die Durchführungen in der Trägerplatte zwi­ schen Kernschichtung Umgebungsatmosphäre erfolgen kann. Wird vorzugsweise die Kernschicht beim Fügen evakuiert, indem bei­ spielsweise das Fügen bei Unterdruck erfolgt, so kann die Kühl­ struktur unmittelbar nach dem Fügen heißisostatisch verpreßt werden, wobei die Kernschicht und das Matrixmaterial in der Kernschicht verdichtet werden.
Soll vorzugsweise die Kernschicht nach dem Fügen evakuiert werden, so sind zwischen Träger und Deckplatte Abpumpstutzen vorzusehen, die nach dem Evakuieren gasdicht verschlossen wer­ den. Bei einem anschließenden heißisostatischen Pressen der Kühlstruktur mit evakuierter Kernschicht, wird die Kernschicht zu einer kompakten Schicht aus metallischem Matrixmaterial und eingebetteten Faserkernen und Kühlkanälen verdichtet und die Deckplatten mit dem Matrixmaterial verbunden.
Das Herstellungsverfahren und der Aufbau der Kühlstruktur wer­ den beispielhaft in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Trägerplatte mit Bohrungen und Kühlrohr,
Fig. 2 zeigt eine Trägerplatte mit einer geschlossenen Faserlage und Bohrungen für Kühlrohre,
Fig. 3 zeigt eine Trägerplatte mit montierten Kühlrohren,
Fig. 4 zeigt eine Trägerplatte und eine Deckplatte vor einem Zusammenfügen.
Fig. 1 zeigt eine Trägerplatte 1 mit Bohrungen 2 und Kühlrohr 3. Zunächst werden Kühlrohrstücke 3 beispielsweise aus einem wärmeleitenden Metall wie einer Cu-Legierung, die die Kühlkanä­ le bilden sollen, an ihren Enden 4 auf 90 Grad abgewinkelt. In die Trägerplatte 1 aus einem wärmeleitenden Metall wie einer Cu-Legierung werden Bohrungen 2 zur Aufnahme der Kühlrohrenden 4 gebohrt. Die Trägerplatte 1 wird vor dem Einbringen der Kühl­ rohre 3 mit einer geschlossenen Faserlage, wie in Fig. 2 ge­ zeigt, belegt, wobei die Fasern 6 nach den betriebsbedingten Zugspannungen ausgerichtet werden. In diesem Beispiel werden Kohlenstoffasern verwendet, die galvanisch mit einer Cu-Legie­ rung beschichtet sind. Ein Randbereich 7 und die Bohrungen 2 werden von dem Belegen durch eine geschlossenen Faserlage 5 ausgespart.
In diesem Beispiel ist die Trägerplatte aus reinem Kupfer und das Kühlrohrmaterial aus einer Kupfer/Nickellegierung mit 10 Gew.-% Nickel.
Weitere erprobte Werkstoffe für die Kühlrohre 3, die Träger­ platte 1 und eine Deckplatte 11, sowie für ein Matrixmaterial sind chromlegiertes Kupfer mit 0,5 bis 5 Gew.-% Chrom oder Alu­ miniumbronze aus 4 bis 10 Gew.-% Aluminium, Rest Kupfer und Zusatzelemente.
Es sind auch Aluminiumlegierungen einsetzbar. Diese haben ge­ genüber Kupferlegierungen den Vorteil eines geringeren spezi­ fischen Gewichts. Beispielsweise bestehen Kühlrohre 3, Träger­ platte 1, eine Deckplatte 11 sowie ein Matrixmetall aus:
Aluminium, mit 3,8 bis 4,9 Gew.-% Kupfer
1,2 bis 1,8 Gew.-% Magnesium
0,3 bis 0,9 Gew.-% Mangan und Spurenelementen,
oder aus
Aluminium, mit 2,2 bis 2,7 Gew.-% Lithium
0,5 bis 1,2 Gew.-% Magnesium
1,0 bis 1,6 Gew.-% Kupfer und Spurenelementen,
oder aus
Aluminium, mit 5,1 bis 6,1 Gew.-% Zink
2,1 bis 2,9 Gew.-% Magnesium
1,2 bis 2 Gew.-% Kupfer und Spurenelementen,
oder aus
Aluminium, mit 0,8 bis 1,2 Gew.-% Magnesium
0,4 bis 0,8 Gew.-% Silizium
0,15 bis 0,4 Gew.-% Kupfer und Spurenelementen.
Ebenso hat sich Messing, das hauptsächlich aus Kupfer mit 30 Gew.-% Zink besteht, als Werkstoff für die Kühlrohre 3, die Trägerplatte 1, eine Deckplatte 11 sowie als Matrixmaterial bewährt.
Eine weitere Kupfer-Legierung aus 10 bis 20 Gew.-% Zinn und 1-5 Gew.-% Titan und Rest im wesentlichen Kupfer ist als Buntmetall für die Mehrschichtstruktur erfolgreich verwendet worden.
Fig. 3 zeigt die Trägerplatte 1 mit montierten Kühlrohren 3, die mittels Schweißen oder Löten in die Bohrungen 2 mit ihren Kühlrohrenden 4 eingefügt sind, so daß die Kühlrohrenden 4 wink­ lig aus der Trägerplatte 1 herausragen. Auf den Randbereich 7 wird vorzugsweise ein metallischer Rahmen 10 aus einem wärme­ leitenden Metall wie einer Cu-Legierung aufgelegt und die Zwi­ schenräume zwischen den Kühlrohren 3 untereinander, sowie den Kühlrohren 3 und dem Rahmen 10 werden mit weiteren in Fig. 4 gezeigten Faserlagen 17 aufgefüllt.
Fig. 4 zeigt eine Trägerplatte 1 und eine Deckplatte 11 vor einem Zusammenfügen. Dazu ist die Deckplatte 11 mit mindestens einer geschlossenen Faserlage 12, 13 belegt, wobei der Randbe­ reich 14 ausgespart bleibt. Die Deckplatte 11 wird in evakuier­ ter Umgebung und im aufgeheizten Zustand in Richtung A auf den Rahmen 10 gepreßt und mit Rahmen 10 und Trägerplatte 1 gehef­ tet. Anstelle des Rahmens 10 können in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Kanten der Deckplatte 11 im Randbe­ reich heruntergebogen werden und mit dem Randbereich 7 der Trä­ gerplatte 1 geheftet werden. Die Rohrenden 4 werden mit den Bohrungen 2 in der Trägerplatte gasdicht verschweißt oder ver­ lötet.
Das geheftete Teil wird im Vakuum aufgeheizt, ausgegast und dann verschweißt. Abschließend wird diese unkompaktierte Mehr­ schichtstruktur in einer heißisostatischen Presse verdichtet, wobei die Fasermäntel aus einem wärmeleitenden Metall in der Kernschicht zu einem Matrixmetall verdichtet werden und damit ein kompaktiertes Wandelement mit verdichteter Kernschicht entsteht.

Claims (22)

1. Kühlstruktur aus metallischem Werkstoff mit eingearbeiteten Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Mehr­ schichtplatte aus Deckplatten und einer Kernschicht ausge­ bildet ist, wobei die Kernschicht eine Faserstruktur mit wärmeleitendem Matrixmetall, in welche die Kühlkanäle ein­ gebettet sind, umfaßt.
2. Kühlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstruktur mehrere Faserlagen aufweist und die Fa­ sern in der Faserstruktur in den Richtungen der betriebs­ bedingten Zugspannungen ausgerichtet sind.
3. Kühlstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kernschicht zu den Deckplatten hin durchge­ hende, von Kühlkanälen freie geschlossene Faserlagen auf­ weist.
4. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein metallischer Rahmen die Kernschicht allseitig umschließt.
5. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Faserstruktur Verbundfasern auf­ weist, aus Faserkernen mit metallischen Faserbeschichtungen aus artgleichen metallischen Werkstoffen der Deckplatten.
6. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kernschicht aus verdichtetem, wärme­ leitendem, metallischen Matrixmaterial mit Fasern und ein­ gebetteten Kühlkanälen besteht.
7. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Faserstruktur Fasern oder Faserkerne aus Kohlenstoff oder Siliziumkarbid aufweist.
8. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckplatten aus Buntmetallen, vor­ zugsweise aus Bronze, Messing, Kupfer, Aluminium oder Le­ gierungen derselben bestehen.
9. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der beiden Deckplatten als Träger­ platte für Kühlkanäle ausgebildet ist.
10. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlkanäle als Kühlrohre ausgebildet sind.
11. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußstücke für Kühlkanäle oder Enden von Kühlrohren winklig aus einer der Deckplatten her­ ausragen.
12. Verwendung der Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Wärmetauscherelement.
13. Verwendung der Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als ein mit Wasserstoff aktiv gekühltes Wandelement für einen Heißgasstrom, vorzugsweise eines Hyperschalltrieb­ werks.
14. Verfahren zur Herstellung der Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Verfah­ rensschritte:
  • a) Herstellen einer Trägerplatte aus wärmeleitendem Ma­ terial mit Bohrungen zur Aufnahme von Anschlußstücken für Kühlkanäle oder von Kühlrohrenden,
  • b) Belegen der Trägerplatte mit einer ersten Faserlage unter Aussparung von Fügeflächen im Randbereich der Trägerplatte und der Bohrungen,
  • c) Einsetzen der Kühlrohre mit abgewinkelten Kühlrohren­ den oder einer Kühlkanalstruktur in die Bohrungen und Aussparungen,
  • d) Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Kühlrohren oder den Kühlkanälen mit weiteren Faserlagen zu einer Kernschicht,
  • e) Fügen der Trägerplatte unter Einschluß der Kernschicht mit einer Deckplatte zu einer Kühlstruktur.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Fügen die Deckplatte mit einer Faserlage unter Aus­ sparung von Fügeflächen im Randbereich belegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Fügen Hohlräume in der Faserstruktur mit Matrixmetall aus artgleichem Material wie die Trägerplatte aufgefüllt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Hohlräume der Faserstruktur mittels Ein­ schlämmen, Infiltrieren, Aufstäuben oder Abscheiden von Matrixmetall aufgefüllt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anschlußstücke oder die Rohrenden beim Fügen gasdicht mit den Bohrungen der Trägerplatte ver­ bunden werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kernschicht beim Fügen evakuiert wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Fügen von Deckplatte und Trägerplatte unter Einschluß der Kernschicht mittels Schweißen oder Lö­ ten erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kernschicht nach dem Fügen bei Aus­ heiztemperaturen zum Ausgasen der Kernschicht evakuiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach dem Fügen die Kernschicht der Kühl­ struktur mit evakuierter Kernschicht durch heißisostatisches Pressen verdichtet wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0916897A3 (de) * 1997-11-14 2000-10-25 Asea Brown Boveri AG Hitzeschild

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19619127A1 (de) * 1996-05-11 1997-11-13 Bayerische Motoren Werke Ag Kühlvorrichtung für eine flüssigkeitsführende Leitung
FR2785664B1 (fr) * 1998-11-05 2001-02-02 Snecma Echangeur de chaleur en materiau composite et procede pour sa fabrication
US7261146B2 (en) * 2003-01-17 2007-08-28 Illinois Tool Works Inc Conductive heat-equalizing device
EP2072763B1 (de) * 2007-12-21 2015-04-08 Techspace Aero S.A. Wärmetauschersystem in einer Strömungsmaschine

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2224726A1 (de) * 1972-09-21 1974-10-31 Gen Electric
DE3204231A1 (de) * 1981-02-06 1982-08-12 Hitachi, Ltd., Tokyo Laminataufbau aus matrix-faser-verbundschichten und einer metallschicht
DE4137638C2 (de) * 1991-11-15 1994-08-11 Mtu Muenchen Gmbh Bauteil mit einer vor thermischer Belastung zu schützenden Wand

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1147027A (en) * 1966-05-11 1969-04-02 Iit Res Inst Heat transfer assemblies and methods of making them
CA980971A (en) * 1972-12-07 1976-01-06 Naomitsu Megumi Structural unit body having pipe incorporated thereinto and structure assembled thereof
DE3473033D1 (en) * 1983-03-02 1988-09-01 Mitsubishi Electric Corp Heating panel
EP0121797B1 (de) * 1983-03-15 1990-01-17 Refractory Composites Inc. Kohlenstoffverbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
DE3735846A1 (de) * 1987-10-23 1989-05-03 Mtu Muenchen Gmbh Verfahren zur herstellung einer rohrbodenstruktur eines waermetauschers
US5042565A (en) * 1990-01-30 1991-08-27 Rockwell International Corporation Fiber reinforced composite leading edge heat exchanger and method for producing same
FR2665104B1 (fr) * 1990-07-26 1992-10-09 Lorraine Carbone Procede de fabrication de pieces etanches en materiau composite tout carbone.

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2224726A1 (de) * 1972-09-21 1974-10-31 Gen Electric
DE3204231A1 (de) * 1981-02-06 1982-08-12 Hitachi, Ltd., Tokyo Laminataufbau aus matrix-faser-verbundschichten und einer metallschicht
DE4137638C2 (de) * 1991-11-15 1994-08-11 Mtu Muenchen Gmbh Bauteil mit einer vor thermischer Belastung zu schützenden Wand

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Rau,G.: Metallische Verbund Werkstoffe, herausge- geben zum 100-jährigen Bestehen der Firma G.Rau, Pforzheim, S.161,162 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0916897A3 (de) * 1997-11-14 2000-10-25 Asea Brown Boveri AG Hitzeschild
US6492034B1 (en) 1997-11-14 2002-12-10 Alstom Heat shield

Also Published As

Publication number Publication date
GB2279734A (en) 1995-01-11
DE4322431C2 (de) 1997-04-10
GB9413651D0 (en) 1994-08-24
FR2707381A1 (fr) 1995-01-13

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