DE4322431A1

DE4322431A1 - Cooling structure and process for its manufacture

Info

Publication number: DE4322431A1
Application number: DE4322431A
Authority: DE
Inventors: William Dr Wei; Anton Axtner
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2013-07-07
Also published as: DE4322431C2; GB9413651D0; FR2707381A1; GB2279734A

Abstract

A cooling device made of metallic materials incorporates cooling ducts in the form of cooling pipes or cooling channels for cooling a wall (for example a hydrogen cooled rocket nozzle, hypersonic propulsion plants, and aircraft engines). The device comprises a multilayer plate structure including a carrier plate 1, a cover plate 11, and a composite fiber core structure sandwiched between the two plates. The composite fiber core structure is constructed, of fibers, e.g. carbon fibers or silicon carbide fibers embedded in a heat conducting metal matrix and the cooling ducts 4, such as pipes or channels, are embedded or formed in the fiber composite core structure. The composite fiber core is enclosed on all sides by metal and the entire structure is densified in a hot isostatic pressing step. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlstruktur aus metallischem Werkstoff mit eingearbeiteten Kühlkanälen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to a cooling structure made of metallic material incorporated cooling channels and a process for their manufacture.

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.Known cooling structures point to the heat source side of a wall to be cooled on cooling channels through which a cooling medium flows. These cooling channels are either in the Worked in the wall or in the form of cooling tubes on the too cool welded or soldered on the lumbar wall. The wall material depends essentially on the type of heat source le, being used for chemical apparatus with reaction heat sources Glass or ceramic walls must also be cooled. These have that Advantage that they can withstand high temperatures and not large ones Require cooling capacity. The disadvantage, however, is that glass and Ceramic walls are very brittle and under mechanical bending break, and are sensitive to temperature shock, moreover their thermal conductivity is extremely low.

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.Metallic cooling structures are from the patent application DE-PA-41 37 636.2-44 known. These have the disadvantage that they are very are complex and at temperatures and mechanical Loads such as those on the walls of a hot gas turbine, one Missile nozzle or a hypersonic drive occur from weni ger thermally conductive high temperature resistant, high alloy metal len such as cobalt or nickel-based alloys are constructed to both the thermal as well as the mechani to withstand loads. Have these materials not only the disadvantage of low thermal conductivity, but are also very expensive and difficult to machine.

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.Metals with high thermal conductivity such as silver or gold unaffordable as precious metals for the above technical application. Copper and aluminum and their alloys are also available have a high thermal conductivity, but have the disadvantage that they mechanically low mechanical Fe at elevated temperature have stabilities.

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.The object of the invention is therefore a cooling structure and a Specify processes for their preparation, the high thermal conductivity capabilities with improved mechanical strength and is inexpensive to manufacture.

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.This object is achieved by the features of the An solved 1, by means of a cooling structure, which as a more Layer plate made of cover plates and a core layer is, the core layer is a fiber structure with heat conduction the matrix metal in which the cooling channels are embedded, includes.

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.This cooling structure has the advantage that it is load-bearing and cool core layer a fiber structure is used that it allowed, on the one hand, cheap materials as matrix metals or Use cover plate materials and also a high heat conductivity and finally due to the company structure to achieve extreme mechanical strength 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.For this structure are known as thermally conductive metals non-ferrous metals, preferably bronze, brass, copper, aluminum minium or alloys thereof. The structure has thus the advantage that inexpensive materials are used can.

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.In a preferred embodiment of the invention, the fiber structure several fiber layers, with the fibers in the fiber structure in the direction of operational tensile stresses are aimed. Warping or warping of the cooling structure is advantageously prevented. Because the cooling channels inside the fiber structure are arranged and thus the core layer weaken, the core layer points to the cover plates going closed fiber layers free of cooling channels on what a safe absorption of mechanical loads by the fiber structure enables.

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.In a further preferred embodiment of the invention a metallic frame closes the core layer on all sides. On in this way it becomes weldable or solderable on all edges Wall element obtained by the metallic frame in front partial further processing and equivalent on all sides Allows mounting options. The framework that is the core layer on the sides of the cooling structure be an integral part of one of the cover plates or by lateral bending of one of the cover plates are formed or consist of a prefabricated frame element.

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.The fiber structure preferably has composite fibers that are made of Fiber cores and metallic fiber coatings exist, the fiber coatings preferably from the same type me metallic materials such as the cover plates. That has the Advantage that a Ver can form bundle material as a core layer by the metal lische fiber coatings soldered together, ver welded, sintered, compressed or compressed, so that preferably the fiber structure is a compact core layer made of dense, heat-conducting, metallic matrix material Fibers and embedded cooling channels forms. The matrix material can only use the existing fiber coating gen originate or completely added or partially the be layered fiber structure have been added. Thereby exist the fibers or fiber cores preferably made of carbon or Silicon carbide. These fiber materials have turned out to be special proved advantageous in matrix materials made of coil metals sen, since they have good thermal conductivity and good adhesion tion properties and no solid reaction effects between fiber material and matrix material during operation temperatures occur.

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.The cooling channels embedded in the core layer are preferred as one of the two cover plates, which serve as a carrier plate is trained. The surface of the Carrier plate advantageously be structured with cooling channel grooves and / or have cutouts for the core layer, which at the final assembly of the second cover plate in a simple manner be covered.

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.In a further preferred embodiment of the invention, the Cooling channels designed as cooling tubes. This has the advantage that no special structure for in the surface of the carrier plate Cooling channels must be incorporated, but the carrier plate preferably only holes for receiving cooling tube ends must have. The cooling tubes can then be parallel and tight be arranged side by side on the carrier plate. The Connection ends of the cooling pipes for the supply and discharge of the cooling mediums are inserted through the holes in the carrier plate, so that the ends of the cooling tubes are angled out of this cover plate stick out. Between, above and below the cooling pipes is the The fiber structure is positioned and forms with those in the fiber structure embedded cooling tubes the core layer. The core layer can be used to delimit the cooling structure as a wall element have a metallic frame for a hot gas flow, the is applied to the carrier plate with the core layer in order to to close these advantageously at the edges without the Fibers or fiber cores of the fiber structure at the edges with the Hot gas flow come into contact so that the fibers or fiber cores are protected against oxidation, erosion and corrosion.

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.The holes can also be arranged in one of the cover plates, what advantageously allowed, connectors for supplying and discharging the cooling to take mediums to the cooling channels, the connectors preferred protrude wisely from one of the cover plates. That has the advantage, that the wall elements together into a chilled wall at their edges are available and the connections for the supply and discharge of the cooling medium are not exposed to the hot gas flow. In addition, a serial or parallel connection of the connections to a cooling wall inexpensively Establish as all connections are easily accessible on the hot gas flow opposite side are arranged.

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. The connection between the connections is preferred through connecting pipes or connecting channels Materials are produced, on the one hand, reduced corrosion sion and solid reactions with the environment or with the Have material of the cooling structure and min Solid reactions with the material of the supporting structure demonstrate. For example, connecting pipes made of precious steel with a chromium content in iron of more than 13% for the Cooling connections made from a copper alloy have proven themselves. This noble steel pipes are made with the supporting structure, for example a titanium alloy connected such that the cooling structure a copper alloy with a carbon fiber reinforced core layer in Position is held.

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.As a cooling medium for wall elements for control and Rich change in the flow of hot gas in engines or for Change and operational adjustment of nozzle cross-sections Hydrogen used, preferably in the cooled Wall elements for hypersonic engines, rocket engines or hydrogen-powered engines for combustion at the same time voltage is preheated, so that the cooling structure at the same time Heat exchanger function fulfilled.

Die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kühlstruktur anzugeben, wird mit folgenden Verfahrenschritten gelöst:The task of a method for producing such Specifying the cooling structure is done with the following process steps solved:

a) Herstellen einer Trägerplatte aus wärmeleitendem Material mit Bohrungen zur Aufnahme von Anschlußstücken für Kühlka näle oder von Kühlrohrenden,a) Manufacture of a carrier plate made of thermally conductive material with holes to accommodate connectors for refrigerators channels or of cooling pipe ends,
b) Belegen der Trägerplatte mit einer ersten Faserlage unter Aussparung von Fügeflächen im Randbereich der Trägerplatte und der Bohrungen,b) covering the carrier plate with a first fiber layer underneath Recess of joining surfaces in the edge area of the carrier plate and the holes,
c) Einsetzen der Kühlrohre mit abgewinkelten Kühlrohrenden oder einer Kühlkanalstruktur in die Bohrungen und Ausspa rungen,c) Inserting the cooling tubes with angled cooling tube ends or a cooling channel structure in the holes and recess stanchions,
d) Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Kühlrohren oder den Kühlkanälen mit weiteren Faserlagen zu einer Kern schicht,d) filling the spaces between the cooling tubes or the cooling channels with additional fiber layers to form a core layer,
e) Fügen der Trägerplatte unter Einschluß der Kernschicht mit einer Deckplatte zu einer Kühlstruktur.e) joining the carrier plate including the core layer a cover plate to a cooling structure.

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.This method has the advantage that it is only inexpensive Has procedural steps and offers opportunities on a a high-temperature resistant, dimensionally stable cooling structure to be made from relatively soft non-ferrous metals. Besides, is the process is broken down into individual manufacturing steps that allow both automated and mass production 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.Before joining, the cover plate can be covered with a fiber layer Recess of joining surfaces in the edge area to be occupied the core structure also advantageously with a cover plate equip closed fiber structure so that the cooling channels or cooling pipes completely embedded in the fiber structure are. This closed fiber layer can also be used to complete the Core structure before joining the cover plate to the cooling channels or cooling pipes.

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.Uncoated fiber cores or only as a fiber structure minimally coated fibers introduced so that when joining the layers to form a cooling structure not a closed metal can form matrix between the fiber cores or fibers, so are preferably the cavities in the fiber before joining structure of the same type of material as the carrier plate Slurrying, infiltrating, dusting or separating fills. This has the advantage that known methods from the Powder metallurgy can be resorted to between the Fibers or fiber cores when joining a closed metal matrix.

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.In a preferred implementation of the method, the Cover plate and the carrier plate including the core layer by welding or soldering to a non-compacted wall element added. The compaction is then carried out by a hot sostatic pressing of the non-compacted wall element enough.

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.A preferred implementation of the method is that Connection pieces or the pipe ends when joining gas-tight with the To connect holes in the support plate, so that advantageously no Gas exchange between the bushings in the carrier plate core stratification ambient atmosphere can take place. Becomes preferably evacuated the core layer during joining, by at for example, the joining takes place under negative pressure, so the cooling structure is hot isostatically pressed immediately after joining be, the core layer and the matrix material in the Core layer are compressed.

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.The core layer should preferably be evacuated after the joining there are pump-out nozzles between the support and the cover plate to be provided, which are sealed gas-tight after evacuation the. Subsequent hot isostatic pressing of the Cooling structure with evacuated core layer, becomes the core layer to a compact layer of metallic matrix material and embedded fiber cores and cooling channels compacted and the Cover plates connected to the matrix material.

Das Herstellungsverfahren und der Aufbau der Kühlstruktur wer den beispielhaft in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.The manufacturing process and the structure of the cooling structure are shown by way of example in FIGS . 1 to 4.

Fig. 1 zeigt eine Trägerplatte mit Bohrungen und Kühlrohr, Fig. 1 shows a carrier plate with bores, and cooling pipe,

Fig. 2 zeigt eine Trägerplatte mit einer geschlossenen Faserlage und Bohrungen für Kühlrohre, Fig. 2 shows a carrier plate with a closed fiber layer and holes for the cooling tubes,

Fig. 3 zeigt eine Trägerplatte mit montierten Kühlrohren, Fig. 3 shows a carrier plate with mounted cooling tubes,

Fig. 4 zeigt eine Trägerplatte und eine Deckplatte vor einem Zusammenfügen. Fig. 4 shows a carrier plate and a cover plate before assembly.

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. Fig. 1 illustrates a carrier plate 1 with holes 2 and the cooling pipe 3. First, cooling pipe pieces 3, for example made of a heat-conducting metal such as a Cu alloy, which are to form the cooling channels, are angled at their ends 4 to 90 degrees. Bores 2 for receiving the cooling tube ends 4 are drilled in the carrier plate 1 made of a heat-conducting metal such as a Cu alloy. The carrier plate 1 is before the introduction of the cooling tubes 3 with a closed fiber layer, as shown in Fig. 2 shows ge, the fibers 6 are aligned with the operational tensile stresses. In this example, carbon fibers are used which are galvanically coated with a Cu alloy. An edge region 7 and the bores 2 are spared from the covering by a closed fiber layer 5 .

In diesem Beispiel ist die Trägerplatte aus reinem Kupfer und das Kühlrohrmaterial aus einer Kupfer/Nickellegierung mit 10 Gew.-% Nickel.In this example, the carrier plate is made of pure copper and the cooling tube material made of a copper / nickel alloy with 10% by weight 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.Other tried and tested materials for the cooling tubes 3 , the carrier plate 1 and a cover plate 11 , and for a matrix material are chrome-alloyed copper with 0.5 to 5% by weight of chromium or aluminum bronze made of 4 to 10% by weight of aluminum, the rest being copper and additional elements.

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.Aluminum alloys can also be used. Compared to copper alloys, these have the advantage of a lower specific weight. For example, cooling tubes 3 , carrier plate 1 , a cover plate 11 and a matrix metal consist of:
Aluminum, with 3.8 to 4.9% by weight copper
1.2 to 1.8 wt% magnesium
0.3 to 0.9% by weight of manganese and trace elements,
or off
Aluminum, with 2.2 to 2.7% by weight of lithium
0.5 to 1.2 wt% magnesium
1.0 to 1.6% by weight of copper and trace elements,
or off
Aluminum, with 5.1 to 6.1% by weight zinc
2.1 to 2.9% by weight magnesium
1.2 to 2% by weight of copper and trace elements,
or off
Aluminum, with 0.8 to 1.2% by weight magnesium
0.4 to 0.8 wt .-% silicon
0.15 to 0.4 wt .-% copper and trace elements.

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.Likewise, brass, which mainly consists of copper with 30% by weight zinc, has proven itself as a material for the cooling tubes 3 , the carrier plate 1 , a cover plate 11 and as a matrix material.

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.Another copper alloy consisting of 10 to 20 wt.% Tin and 1-5 wt.% Titanium and the rest essentially copper is as non-ferrous metal have been successfully used for the multilayer structure.

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. 3 shows the carrier plate 1 with mounted cooling tubes 3, which are inserted with their cooling pipe ends 4 by means of welding or soldering in the holes 2, so that the cooling pipe ends 4 wink lig protrude from the support plate 1. On the edge region 7 , a metallic frame 10 made of a heat-conducting metal such as a Cu alloy is preferably placed and the inter mediate spaces between the cooling tubes 3 with each other, and the cooling tubes 3 and the frame 10 are filled with further fiber layers 17 shown in FIG. 4 .

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. Fig. 4 shows a carrier plate 1 and a cover plate 11 before assembly. For this purpose, the cover plate 11 is covered with at least one closed fiber layer 12 , 13 , the Randbe 14 being omitted. The cover plate 11 is pressed in an evacuated environment and in the heated state in direction A on the frame 10 and tet with frame 10 and carrier plate 1 . Instead of the frame 10 , in an advantageous embodiment of the invention, the edges of the cover plate 11 can be bent down in the edge region and stitched to the edge region 7 of the carrier plate 1 . The tube ends 4 are welded to the holes 2 in the carrier plate gas-tight or soldered ver.

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.The stapled part is heated in a vacuum, degassed and then welded. In conclusion, this more uncompacted layer structure compressed in a hot isostatic press, the fiber sheaths made of a heat-conducting metal in the Core layer to be compressed into a matrix metal and thus a compact wall element with compacted core layer.

Claims

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.1. Cooling structure made of metallic material with incorporated cooling channels, characterized in that it is formed as a multi-layer plate from cover plates and a core layer, the core layer comprising a fiber structure with thermally conductive matrix metal, in which the cooling channels are embedded.

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.2. Cooling structure according to claim 1, characterized in that the fiber structure has several fiber layers and the company in the fiber structure in the directions of the operating conditional tensile stresses are aligned.

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.3. Cooling structure according to claim 1 or 2, characterized net that the core layer through to the cover plates closed fiber layers free of cooling channels points.

4. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein metallischer Rahmen die Kernschicht allseitig umschließt.4. Cooling structure according to one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that a metallic frame the core layer encloses on all sides.

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.5. Cooling structure according to one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the fiber structure on composite fibers points out of fiber cores with metallic fiber coatings made of the same type of metallic materials for the cover plates.

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.6. Cooling structure according to one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the core layer of compressed, warm conductive, metallic matrix material with fibers and a embedded cooling channels.

7. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Faserstruktur Fasern oder Faserkerne aus Kohlenstoff oder Siliziumkarbid aufweist.7. Cooling structure according to one of claims 1 to 6, characterized ge indicates that the fiber structure fibers or fiber cores made of carbon or silicon carbide.

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.8. Cooling structure according to one of claims 1 to 7, characterized ge indicates that the cover plates made of non-ferrous metals, before preferably made of bronze, brass, copper, aluminum or Le gations of the same exist.

9. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß eine der beiden Deckplatten als Träger platte für Kühlkanäle ausgebildet ist.9. Cooling structure according to one of claims 1 to 8, characterized ge indicates that one of the two cover plates as a carrier plate is designed for cooling channels.

10. Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kühlkanäle als Kühlrohre ausgebildet sind.10. Cooling structure according to one of claims 1 to 9, characterized ge indicates that the cooling channels are designed as cooling tubes are.

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.11. Cooling structure according to one of claims 1 to 10, characterized characterized in that fittings for cooling channels or Ends of cooling tubes at an angle from one of the cover plates protrude.

12. Verwendung der Kühlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Wärmetauscherelement. 12. Use of the cooling structure according to one of claims 1 to 11 as a heat exchanger element.

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.13. Use of the cooling structure according to one of claims 1 to 11 as a wall element actively cooled with hydrogen for a hot gas stream, preferably a hypersonic drive works.

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.

14. A method for producing the cooling structure according to one of claims 1 to 13, characterized by the following procedural steps:

a) Manufacture of a carrier plate made of thermally conductive material with bores for receiving connectors for cooling ducts or of cooling tube ends,
b) covering the carrier plate with a first fiber layer, with the exception of joining surfaces in the edge region of the carrier plate and the bores,
c) inserting the cooling tubes with angled cooling tubes or a cooling channel structure into the bores and recesses,
d) filling the spaces between the cooling tubes or the cooling channels with further fiber layers to form a core layer,
e) joining the carrier plate including the core layer with a cover plate to form a cooling structure.

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.15. The method according to claim 14, characterized in that before joining the cover plate with a fiber layer under Aus saving of joining surfaces in the edge area is occupied.

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.16. The method according to claim 14 or 15, characterized in net that with voids in the fiber structure before joining Matrix metal made of the same type of material as the carrier plate be replenished.

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.17. The method according to any one of claims 14 to 16, characterized ge indicates that cavities of the fiber structure by means of a slurrying, infiltrating, dusting or separating Matrix metal to be filled.

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.18. The method according to any one of claims 14 to 17, characterized ge indicates that the fittings or pipe ends when joining, gas-tight with the holes in the carrier plate be bound.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kernschicht beim Fügen evakuiert wird.19. The method according to any one of claims 14 to 18, characterized ge indicates that the core layer evacuates when joining becomes.

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.20. The method according to any one of claims 14 to 19, characterized ge indicates that the joining of the cover plate and carrier plate including the core layer by welding or soldering ten.

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.21. The method according to any one of claims 14 to 20, characterized ge indicates that the core layer after joining at Aus evacuated heating temperatures for outgassing the core layer becomes.

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.22. The method according to any one of claims 14 to 21, characterized ge indicates that after joining the core layer of the cooling structure with evacuated core layer through hot isostatic Pressing is compacted.