DE69103308T2

DE69103308T2 - Wärmeschutzschild.

Info

Publication number: DE69103308T2
Application number: DE69103308T
Authority: DE
Inventors: Claude Deck; Pierre Deschamps; Manfred Lipa
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: EP0449736B1; US5209896A; CA2039331A1; FR2660410A1; DE69103308D1; JPH04225784A; FR2660410B1; ES2060315T3; EP0449736A1

Description

ANWENDUNGSBEREICH DER ERFINDUNG

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Schutz von Strukturen gegen sehr große Dauerwärmeflüsse von ungefähr 100 W/cm². Diese Schutzart wird vor allem verwendet bei Fusionsreaktoren und bei Öfen mit sehr hohen Temperaturen.

VORHERGEHENDE TECHNIK

Mehrere Typen von Wärmeschilden wurden schon entwickelt und verwenden Kacheln als Schutzelemente.
- Ein erster Wärmeschildtyp verwendet runde Kacheln, die aufgrund ihrer Kreisform den hauptsächlichen Nachteil aufweisen, die zu schützende Wand nicht gänzlich zu bedecken.
- Ein zweiter Wärmeschildtyp verwendet Kacheln, bei denen die Befestigungseinrichtungen der zu schützenden Wand auf der Trägerstruktur an der Außenoberfläche der Kachel enden und somit dem Wärmefluß ausgesetzt sind.
- Ein dritter Wärmeschildtyp verwendet Kacheln, jede mit einem festen, hakenförnigen Fuß, deren Anbringen eine Translationsbewegung der besagten Kachel erfordert, was die Montage kompliziert und einen unregelmäßigen Kontakt zur Folge hat und folglich einen schlechten Wärmetransfer zwischen der Kachel und ihrem Träger.
Zweck der Erfindung ist, ein Wärmeschild vorzuschlagen, das nicht die Nachteile der verschiedenen obenerwähnten Wärmeschildtypen aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Wärmeschild wie etwa nach US-A-3 979 866, hauptsächlich gebildet durch:
- eine Trägerstruktur aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften, gekühlt durch eine Innenzirkulation eines Kühlfluids;
- Schutzkacheln mit parallelflacher Form aus einem Material, das hohen Temperaturen widersteht;
- eine Formschicht, zusammengedrückt zwischen jeder Kachel und der Trägerstruktur mittels elastischen Befestigungseinrichtungen.
Dieser Wärmeschild ist dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Befestigungseinrichtungen für jede Kachel folgendes umfassen:
- eine Zugstange, mit einem ersten Ende befestigt an der Rückseite der Kachel;
- eine Blattfeder, in ihrer Mitte senkrecht an dem zweiten Ende der Zugstange befestigt;
- einen beweglichen Spannarm, der zwischen der Feder und der Kachel um die Zugstange gleitet und an jedem Ende eine Auflagefläche aufweist, auf der sich jeweils jedes der Enden der durch Spanneinrichtungen gespannten Blattfeder abstützt.
Diese Spanneinrichtungen werden vorzugsweise gebildet durch zwei in die Tragerstruktur geschraubte Spannschrauben, deren beiden Köpf sich jeweils abstützen auf den beiden Enden des Spannarms, der Kachelrückseite gegenüberstehend, wobei jeder Kopf zugänglich ist über die Vorderseite der Kachel durch eine Spannöffnung von kleinem Durchmesser.
Um den Anbau der elastischen Befestigungseinrichtungen an die Trägerstruktur zu ermöglichen, sieht man auf der Kontaktoberfläche der Trägerstruktur eine Längsnut vor, in die die Befestigungslöcher für den Spannarm münden und in deren Inneres dieser Spannarm eindringen kann unter der Wirkung der Spannschrauben, um die Blattfeder vorzuspannen, nachdem die Rückseite der Kachel in Kontakt gebracht wurde mit der auf die Trägerstruktur aufgebrachten Formschicht.
Eine Funktionsbedingung der elastischen Befestigungseinrichtungen des erfindungsgemäßen Wärmeschilds ist, daß der Ruheabstand, der die Rückseite der Kachel trennt von der darunterliegenden Flache von jedem Spannarmende kleiner sein muß als die Tiefe der Längsnut, um den für das Zusammenpressen der Formschicht zwischen Kachel und Trägerstruktur erforderlichen Federdruck zu erreichen.
Für den Fall, daß die Trägerstruktur parallel zueinander verlaufende Kühlleitungen aufweist, ist die Längsnut der Trägerstruktur parallel zu diesen Kühlleitungen.

LISTE DER FIGUREN

Die Erfindung und ihre verschiedenen Charakteristika werden besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung. Ihr beigefügt sind Figuren, jeweils darstellend:
- Figur 1 eine Kachel und ihre erfindungsgemäßen Befestigungseinrichtungen an der Trägerstruktur;
- die Figuren 2A und 2B zwei Schnitte, die das Anbringen der Kachel der Figur 1 an der Trägerstruktur darstellt;
- Figur 4 eine perspektivische Draufsicht der bei der Erfindung verwendeten und für die Aufnahme von mehreren Kacheln bestimmten Trägerstruktur.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Kacheln des erfindungsgemäßen Wärmeschilds sind mit ihrer Vorderseite dem Wärmefluß ausgesetzt, gegen den gewisse Elemente einer Anlage geschützt werden müssen. So ermöglicht ein derartiger Wärmeschild, gewisse Bauteile eines Fusions- bzw. Plasmareaktors gegen die thermische Strahlung des Plasmas zu schützen.
Der Schild umfaßt hauptsächlich auf einer Trägerstruktur befestigte Kacheln, wovon die Figur 1 eine darstellt, mit ihren Einrichtungen zur Befestigung auf der Trägerstruktur.
Die Schutzkachel 2, dem Wärmefluß direkt ausgesetzt, ist aus einem Material, das hohen Temperaturen widersteht, wie etwa Graphit und die Refraktär- oder Kompositmaterialien. Sie hat eine parallelflache Farm, die eine vollständige Abdeckung eines Trägers ermöglicht. Vorzugsweise ist diese Form rechteckig. Wenigstens zwei Spannoffnungen 12 mit kleinem Durchmesser durchdringen die Kachel 2, um den späteren Durchgang von Werkzeugen zuzulassen, für das Festmachen der Kachel an der Trägerstruktur mittels Befestigungseinrichtungen. Eine Bohrung 1 ist vorgesehen auf der Rückseite 5, d.h. der Seite, die dem Wärmefluß nicht ausgesetzt ist, senkrecht zu der Kachel 2, um eine Zugstange 6 zur Befestigung der Kachel 2 aufzunehmen. Eine Art, diese Zugstange 6 in der Bohrung 1 gegen Verschiebung zu arretieren besteht darin, in der Kachel 2 wenigstens ein Loch anzubringen, senkrecht und tangential zur Bohrung 1, so daß man dort einen Arretierungsstift 11 einsetzen kann. In diesem Fall besitzt die Zugstange 6 eine diesem Stift 11 entsprechende Nut.
Die Trägerstruktur 4, auf der die Kachel 2 befestigt wird, ist in der Figur 1 unten durch eines dieser Elemente dargestellt. Diese Trägerstruktur ist zusammengesetzt aus Längsblöcken, durchlaufen von Leitungen 14, in denen ein Kühlfluid zirkuliert. Diese Leitungen sind vorzugsweise parallel zueinander und haben eine große Außenkontaktfläche mit der Trägerstruktur 4 mit dem Zweck, eine gute Abführung der durch die Kacheln 2 über die Formschicht 19 an die Trägerstruktur 4 übertragenen Kalorien sicherzustellen. Eine Längsnut 20 ist vorgesehen auf einer Kontaktfläche 18 der Trägerstruktur 4, um eine Aufnahme zu bilden für die elastischen Befestigungseinrichtungen der Kachel 2. Diese Längsnut 20 ist vorzugsweise zwischen zwei Kühlleitungen 14 angeordnet.
Diese Trägerstruktur 4 ist aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, Aluminium. Das in der Leitung 14 zirkulierende Kühlfluid kann Wasser sein, Luft Diese Leitung 14 kann gebildet werden durch Röhren mit kreisförmigem oder beliebigem Querschnitt, jedoch immer aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit.
Wie Figur 1 zeigt werden die elastischen Befestigungseinrichtungen gebildet durch die Zugstange 6, mit einem ersten Ende 7 in der Bohrung 1 der Kachel 2 befestigt, auf der Rückseite 5 dieser letzteren. Die elastischen Befestigungseinrichtungen werden vervollständigt durch eine Blattfeder 8, befestigt am zweiten Ende der Zugstange 6. Diese Feder erstreckt sich beiderseits der Zugstange 6 durch zwei Arme derselben Länge. Sie weist im allgemeinen mehrere Lamellen auf und ist hergestellt aus einem wärmebeständigen Material wie INCONEL, NIMONIC.
Um die Zugstange 6 ist gleitend ein beweglicher Spannarm 10 angebracht. Dieser Arm weist zwei Enden 21 auf, wovon jedes ein Durchgangsloch 22 enthält. Der Achsabstand dieser beiden Durchgangslöcher 22 entspricht dem Achsabstand der beiden Spannöffnungen 12 der Kachel 2. Dieser Spannarm 10 besitzt zwei erste Auflageflächen 24, auf denen sich die beiden Enden der Blattfeder 8 abstützen. Die Dicke der Enden 21 des Spannarms 10 ist sehr viel geringer als die Tiefe der Längsnut 20 der Trägerstruktur 4, in die der Spannarm eingesetzt wird bei der Montage der Kachel 2 und ihren Befestigungseinrichtungen.
Die elastischen Befestigungseinrichtungen umfassen Spanneinrichtungen der Feder 8. Diese werden vorzugsweise gebildet durch Spannschrauben 30, die in den Durchgangslöchern 22 des Spannarms 10 angeordnet sind und deren Gewinde den Gewinden der Befestigungslöcher 26 entsprechen, die in der Trägerstruktur 4 angebracht sind, am Boden der Längsnut 20. Der Achsabstand dieser Gewindelöcher 26 entspricht dem Achsabstand der Spannöffnungen 12 der Kachel 2. Die Spannschrauben 30 wirken mittels ihrer Köpfe auf die Auflagefläche 27, die der Auflagefläche 28 des Spannarms 10 entgegengesetzt ist.
Die Kontaktfläche 18 der Trägerstuktur wird vervollständigt durch eine Formschicht 19, um zwischen der Kachel 2 und der Trägerstruktur 4 die Wärmeübertragung mittels Leitung zu optimieren. Diese Formschicht 19 kann bestehen aus einem Material des Typs PAPYEX, aus Metallgewebe oder äquivalentem.
Diese Beschreibung der elastischen Befestigungseinrichtungen ist ein Ausführungsbeispiel.
Das Befestigungskonzept der Kachel 2 an der Trägerstruktur 4 ist nämlich folgendes. Die elastischen Befestigungseinrichtungen werden in der Kachel 2 auf der Rückseite dieser letzteren festgemacht, wobei die Spannverformung senkrecht zur Kachel 2 erfolgt. Die Spannöffnungen 12 ermöglichen, zu den Köpfen der Spannschrauben 30 zu gelangen und mit Hilfe eines geeigneten Schlüssels den Spannarm 10 auf die Trägerstruktur 4 zu schrauben. Dadurch wird die Feder 8 gespannt und drückt die Kachel 2 gegen die Trägerstruktur 4. Dieses Anbringen wird in den folgenden Absätzen besser erklärt, mit Bezug auf die Figuren 2A und 2B.
In Figur 2A ist eine Kachel 2 gegenüber der Stelle angeordnet, wo sie an der Trägerstruktur 4 befestigt werden soll, in diesem Fall zwischen vier anderen Kacheln. Die elastischen Befestigungseinrichtungen, gebildet durch eine Zugstange 6, eine Feder 8 und den Spannarm 10 sind schon angebracht auf der Rückseite der Kachel, wobei die Köpfe der Befestigungsschrauben 30 vor den Spannöffnungen 12 der Kachel 2 angeordnet sind und der Gewindeteil dieser Schrauben 30 in der Achse der Gewindelöcher 26 der Trägerstruktur 4 angeordnet ist. Die Feder 8 ist entspannt. Ihre beiden Enden tragen den Spannarm 10.
Die Spannschrauben 30 sind Schrauben mit Innensechskantköpfen, was ermöglicht, sie, durch die Spannöffnungen 12 hindurch, mit geeigneten Schlüsseln festzuschrauben. Bei ihrem Hineinschrauben in die Gewindelöcher 26 nehmen die Spannschrauben 30 den Aufbau mit, der gebildet wird durch die Kachel 2 und ihre elastischen Befestigungseinrichtungen. Während des Festspannens kommt die Kachel 2 mit ihrer Rückseite 5 in Kontakt mit der auf die Trägerstruktur 4 aufgebrachten Formschicht 19. Wenn der Spannvorgang fortgesetzt wird, bleiben die Kachel 2 und die Zugstange 6 bewegungslos, aber der Spannarm 10 wird durch die Spannschrauben 30 tiefer in die Nut 20 hineingezogen, indem er auf der Zugstange 6 gleitet, was zur Folge hat, daß die Feder 8 gespannt wird, wie in Figur 3B dargestellt. Die Durchbiegung, der die Enden der Blattfeder 8 ausgesetzt sind, entspricht der Verschiebung T der Enden 21 des Spannarms 10 in Richtung der Trägerstruktur 4, wenn die Kachel 2 erst einmal diese letztere berührt. Das bedeutet letzten Endes, daß der Ruheabstand D, der die Auflageflächen 28 der Enden 21 des Spannarms 10, angeordnet gegenüber der Formschicht 19, aufgebracht auf die Trägerstruktur 4, von der Rückseite 5 der Kachel 2 trennt, kleiner sein muß als die Tiefe der Längsnut 20.
Die Montage einer solche Kachel 2 kann folglich ausgeführt werden, indem man den Spannarm 10 in der Nute 20 positioniert, dann die Spannschrauben 30 mit Hilfe eines gebogenen Innensechskant-Schlüssels festschraubt, den man durch die Spannlöcher 12 der Kachel 2 einführt. Dieses Festschrauben wird solange fortgesetzt, bis die Durchbiegung der Blattfeder 8 groß genug ist, so daß die Kachel 2 eine ausreichen große Klemmkraft auf die Formschicht der Tragerstruktur 4 ausübt und somit eine gute Wärmeüberleitung von der Kachel 2 auf die Trägerstruktur 4 sicherstellt.
Die Montage der Kachel 2 ist ebenfalls dargestellt in den Figuren 3A und 3B, die jeweils zusammen mit den Figuren 2A und 2B zu betrachten sind.
In Figur 3A, die eine Seitenansicht ist, weist die Nut 20 ein Profil entsprechend den Enden des Spannarms 10 auf, d.h. daß die Breite dieser Längsnut 20 etwas größer ist als die Breite des Spannarms 10.
Die Figur 3B ist ein Schnitt entsprechend der Linie A-A der Figur 2B, wobei das aus der Kachel 2 und ihren elastischen Befestigungseinrichtungen bestehende Ganze befestigt ist an der Trägerstruktur 4. Man stellt fest, daß die Längsnut 20 in der Mitte der Befestigungseinrichtungen eine größere Tiefe aufweist, als in Höhe der Befestigungslöcher 26. Man kann sogar erwägen, daß die Trägerstruktur 4 im zentralen Teil 16, zwischen den Befestigungslöchern 26, vollständig durchquert wird von der Nut 20.
Die Figur 4 zeigt eine Trägerstruktur 4, die eine zu schützende Oberfläche bedeckt. Sie besitzt mehrere Längsnuten 20, parallel zueinander und mehrere Reihen Befestigungslöcher 26 aufweisend, wovon jede dem Zweck dient, eine Folge von aneinandergereihten Schutzkacheln 2 aufzunehmen. So kann eine große, zu schützende Fläche abgedeckt werden mit einem Wärmeschild wie dem beschriebenen.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäßen elastischen Befestigungseinrichtungen ermöglichen mittels einer Formschicht eine sehr gute Wärmeüberleitung zwischen der einem intensiven Wärmefluß ausgesetzten Kachel und der gekühlten Trägerstruktur. Dies ermöglicht, die Oberflächentemperatur der Schutzkacheln zu begrenzen und die Lebensdauer des Schilds zu erhöhen, denn die Erosion durch Verdampfung hängt direkt ab von der Temperatur und vom eintretenden Wärmefluß.
Der oben beschriebene Wärmeschild zum Beispiel ist dimensioniert, um eine Struktur zu schützen vor einem eintretenden Dauerwärmefluß, der 100 W/cm² erreichen kann auf einer Graphitkachel, die die Form eines Parallelogramms von 12 x 12 x 2 cm³ aufweist. Die Dicke der Formschicht, mit 19 bezeichnet in den Figuren, ist abhängig von ihrer Steifigkeit und ihrer Wärmeleitfähigkeit. Im obenerwähnten Beispiel hat sie eine Dicke von ungefähr einem Millimeter. Die Wärmeüberleitung zwischen jeder Kachel und der gekühlten Trägerstruktur reicht aus, um die Oberflächenteinperatur der Kachel auf eine Temperatur unter 1 000ºC zu begrenzen.
Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmeschilds ist, daß jede Kachel eine unabhängige mechanische Verbindung hat mit der Trägerstruktur. Dieses Konzept ermöglicht einen einfachen, schnellen und bei Bedarf automatisierten Austausch von jeder einzelnen Kachel, unabhängig von den benachbarten Kacheln. Das Anbringen und Festmachen jeder Kachel nämlich, das auf der Vorderseite des Schilds erfolgt, macht weder eine Rotations- oder Translationsbewegung des Teils erforderlich, noch einen Zugang von der Rückseite der Trägerstruktur.
Die zwischen jeder Kachel und der Trägerstruktur angeordnete Formschicht ist während der Montage keinen Gleit- oder Scherspannungen ausgesetzt, denn es treten nur Druckbeanspruchungen auf.
Der Befestigungsmechanismus jeder Kachel ist geschützt gegen den Wärmefluß und die Erosion, denen jede Kachel ausgesetzt ist.
Der erfindungsgemäße Wärmeschild kann verwendet werden zum Schutze von bestimmten, in einem Thermonuklearfusionsreaktor installierten Bauteilen, bei dem das im Kern erzeugte Plasma eine sehr starke Wärmestrahlung emittiert.
Industrielle Anlagen wie Öfen, bei denen die Temperatur der Bauteile aus Refraktärmaterial begrenzt werden muß, können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Wärmeschild ausgerüstet werden. Sie ermöglicht einen häufigen und schnellen Austausch jedes Elements des Schilds.
Der erfindungsgemäße Wärmeschild kann ebenfalls an einem Raumfahrzeug installiert werden, das eine Rückkehr in die Erdatmosphäre durchführen muß.

Claims

1. Wärmeschutzschild, hauptsächlich bestehend aus:

- einer Trägerstruktur (4) aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften, gekühlt durch eine Innenzirkulation eines Kühlfluids;

- Schutzkacheln (2) von parallelflacher Form aus einem Material, das hohen Temperaturen widersteht;

- einer Formschicht (19), eingeklemmt zwischen jeder Kachel (2) und der Trägerstruktur (4) mittels elastischen Befestigungseinrichtungen,

dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Befestigungseinrichtungen für jede Kachel (2) umfassen:

- eine Zugstange (6), mit einem ersten Ende (7) befestigt an der Rückseite der Kachel (2);

- eine Blattfeder (8), in ihrer Mitte senkrecht an dem zweiten Ende (13) der Zugstange (6) befestigt;

- einen beweglichen Spannarm (10), um die Zugstange (6) gleitend, zwischen der Feder (8) und der Kachel (2), dabei an jedem Ende eine Auflagefläche (28) aufweisend, auf der sich jeweils jedes der Enden der durch Spanneinrichtungen gespannten Blattfeder (8) abstützt.

2. Wärmeschutzschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtungen gebildet werden durch wenigstens zwei Spannschrauben (30), die in Befestigungslöcher (26) der Trägerstruktur (4) geschraubt sind und deren beiden Köpfe sich jeweils abstützen auf zwei Enden (21) des Spannarms (10), gegenüber der Rückseite (5) der Kachel (2), wobei jeder Kopf von der Vorderseite (3) der Kachel (2) aus zugänglich ist durch ein Spannloch (12) mit kleinem Durchmesser.

3. Wärmeschutzschild nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktoberfläche (18) der Trägerstruktur (4), an der die Befestigungslöcher (26) münden, eine Längsnut (20) aufweisen, um den Spannarm (10) aufzunehmen, und in deren Inneres dieser Spannarm (10) unter der Wirkung der Spannschrauben (30) eindringen kann um die Feder (8) zu spannen, nachdem die Rückseite (5) der Kachel (2) in Kontakt gebracht wurde mit der Formschicht (19), aufgebracht auf der Trägerstruktur (4), wobei der Abstand bei Ruhestellung, der die Rückseite (5) der Kachel (2) von der darunterliegenden Fläche jedes Endes (21) des Spannarms (10) trennt, kleiner ist als die Tiefe der Längsnut (20), um die Kompression der Feder (8) zu ermöglichen, die erforderlich ist für das Klemmen der Formschicht (19) zwischen der Kachel (2) und der Trägerstruktur (4).

4. Wärmeschutzschild nach einem beliebigen der Ansprüche, bei dem die Trägerstruktur (4) parallel zueinander verlaufende Kühlleitungen (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnut (20) parallel ist zu den Kühlleitungen (14).