DE69709716T2

DE69709716T2 - Verfahren zur herstellung eines kohlenstoff/kohlenstoff wärmetauschers

Info

Publication number: DE69709716T2
Application number: DE69709716T
Authority: DE
Inventors: F. Anderson; M. Dewar; K. Duncan; Michael Fellman; Ilan Golecki; F. Maudru; B. Walker; Liang Xue
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: EP0891530B1; DE69709716D1; EP0891530A1; JPH11509616A; WO1997030321A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten-Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, mit den Schritten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solches Verfahren wird in der DE-A-33 27 659 offenbart.

Allgemeiner Stand der Technik

In zwei Parallelplatten-Fluidwärmetauschern, die zum Beispiel in Fig. 1 gezeigt werden, kann der Wärmetauscher 10 aus Metallteilen, wie zum Beispiel Metallplatten 11a - 11 h und Rippen 12a und 12b hergestellt sein. In der Regel strömt ein heißes Fluid zwischen einer ersten und zweiten Platte 11a bzw. 11b, die benachbart sind, und überträgt Wärme auf die Platten. Dies wird als Heißdurchgang 13 bezeichnet. Ein quer oder parallel zum Heißdurchgang 13 verlaufender (nicht gezeigt) Kaltdurchgang 14 wird auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Platte 11b hergestellt. Ein zweites und kühleres Fluid strömt in diesem Durchgang 14. Diese Heiß- und Kaltdurchgänge können zur Bildung einer Stapelanordnung abgewechselt werden. Zwischen benachbarten Platten 11 sind Metallrippen 12 vorgesehen, um die Wärmeübertragung vom Fluid im Heißdurchgang 13 durch die Platte 11 auf das kalte Fluid im zweiten Durchgang 14 zu unterstützen. Diese Rippen 12 können mit den Platten 11 verbunden sein und so eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche bilden und vorzugsweise den strukturellen Halt zum Einschluß der hindurchströmenden druckbeaufschlagten Fluide verbessern. Zur Minimierung von Strömungsblockierung sind die Rippen 12 in der Regel parallel zur Strömungsrichtung angeordnet und definieren einen Strömungspfad mit minimalem zusätzlichen Strömungswiderstand. Darüber hinaus sind die Rippen 12 in einer solchen Dicke und Anzahl vorgesehen, daß eine maximale Wärmeübertragungsfläche bereitgestellt wird, die mit dem Fluid in Kontakt steht. Eine dünne Rippe 12 erfüllt diese Anforderungen, und es wird eine Vielzahl verschiedener Geometrien verwendet, um den speziellen Anforderungen für ein gegebenes Konstruktionsproblem am besten gerecht zu werden.
Bei fest etablierten Herstellungsverfahren für diese Metallwärmetauscher werden die Rippen 12 in einer herkömmlichen Stanzmaschine hergestellt, und alle Teile werden zu einer vollständigen Anordnung verlötet.
Kohlenstoff/Kohlenstoff-Werkstoffe sind als zur Herstellung von kompakten Parallelplatten- Wärmetauschern nicht verfügbar erachtet worden. Es wurde als unmöglich erachtet, eine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Rippe herzustellen, die ausreichend dünn und ausreichend leitend ist und die zu einer akzeptablen Gestalt geformt werden kann, die bei der Übertragung von Wärme zwischen zwei Fluiden wirksam ist. Des weiteren muß eine solche Rippe eine ausreichende Festigkeit zur Abstützung einer gestapelten Ausführung aufweisen und eine starre Struktur zum Einschluß von dort hindurchströmenden druckbeaufschlagten Fluiden bereitstellen.
Die DE-A-33 27 659 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundkörpers, der sowohl leicht ist als auch eine starre Struktur aufweist und der hohen Temperaturen widerstehen kann. Der Körper besteht aus einer ebenen Folie und einer profilierten Folie, die jeweils aus einem kohlenstoffhaltigen Material, wie zum Beispiel Kohlefaser, hergestellt und die zusammengefügt sind. Dann wird die ebene Folie wie gewünscht geformt, und der Körper wird vor Ausführung eines Verkokungsschritts ausgehärtet. Der verkokte Körper wird mit einer siliziumhaltigen Verbindung imprägniert und dann Temperaturen ausgesetzt, die zur Erzeugung von Siliziumcarbid ausreichen. Der fertige Körper eignet sich zur Verwendung als Wärmetauscher.

Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung

Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur speziellen Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Rippen, so daß die sich ergebenden speziell hergestellten Rippen eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die zur Verfügung stehenden Metalle. Die speziell hergestellten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Rippen erleichtern somit die Wärmeübertragung zwischen benachbarten Platten in Parallelplatten-Wärmetauschern.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem auch eine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Plattenkonstruktion in einem Wärmetauscher eingesetzt wird, wodurch ein verbesserter und leichter Wärmetauscher bereitgestellt wird. Spezifische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit/Dichte) ist ein geeigneter Gütefaktor für Werkstoffe, die bei der Herstellung von Wärmetauschern verwendet werden. Aluminium hat die höchste spezifische Leitfähigkeit von allen herkömmlichen Wärmetauschermetallen mit einem Wert von 81 Watt pro Meter Kelvin / Gramm pro Kubikzentimeter. Die bei dieser Erfindung zu verwendenden Kohlenstoff/Kohlenstoff-Werkstoffe weisen eine spezifische Leitfähigkeit auf, die 1,5 bis 2,5 mal höher ist als die von Aluminium.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Aushärten und Pyrolisieren der Kohlenstoff/Kohlenstoff-Werkstoffe zur Erhöhung der Steifigkeit der Kohlenstoff/Kohlenstoff- Werkstoffe, um die Handhabung zu erleichtern.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht in einem Gasphasenabscheidungsverfahren von Kohlenstoff zur Verdichtung der Kohlenstoff/Kohlenstoff- Wärmetauscherkonstruktion zur Beseitigung von Porosität und zum Erhalt einer Materialdichte, die ungefähr gleich der von Kohlenstoff ist, zum Beispiel 2,1 g/cm³.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Glühen und zur Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften in der fertiggestellten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Anordnung, wie zum Beispiel einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Festigkeit.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht in einem Infiltrationsbeschichtungsverfahren, das im geeigneten Schritt im Gesamtprozeß durchgeführt wird, um eine ausreichende oxidative Stabilität und einen ausreichenden Widerstand für die beabsichtigten Hochtemperaturanwendungen bereitzustellen.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten-Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bereitgestellt, das die in Anspruch 1, dessen Oberbegriff auf der Offenbarung in DE-A-33 27 659 beruht, angeführten Schritte umfaßt. Bei dem Verfahren stellt man bevorzugt eine Gewebebahn aus niedrigmoduligen Fasern aus auf Pech basierendem Kohlenstoff bereit, imprägniert die Gewebebahnen mit einem geeigneten Harz, das aus der Phenol- und Epoxidharze umfassenden Klasse ausgewählt ist, formt die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Bahnen zur Ausbildung von Platten- und Rippenbahnen, stapelt die Rippenbahnen zwischen den parallelen Plattenbahnen, um eine parallele Plattenanordnung zu erhalten, härtet die Anordnung bei mäßiger Temperatur aus, um die Platten und die Rippen miteinander zu verbinden, pyrolisiert die Anordnung durch Erwärmen der ausgehärteten Konstruktion in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum bei einer Rate von 1-5ºC/min auf eine Temperatur von 900-1000ºC über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 5 Stunden, verdichtet die pyrolisierte Anordnungskonstruktion durch Gasphaseninfiltration und Gasphasenabscheidung von Kohlenstoff, um eine Gesamtschüttdichte von 1,70-2,20 g/cm³ und eine Mikrostruktur von abgeschiedenem Kohlenstoff, beispielsweise groblaminarem Kohlenstoff, zu erhalten, wobei die Verdichtung in einem isothermen, isobaren CVI-Heißwandreaktor bei Temperaturen von 900-1100ºC unter Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Dampfes durchgeführt werden kann, der Bestandteile ausgewählt aus der Klasse umfassend gasförmige Vorläufer, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Butan, Pentan, Cyclopentan oder Hexan enthält, glüht in der Anordnung in einem Temperaturbereich von 1800-3000ºC zur weiteren Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Konstruktion durch Ordnung der Mikrostruktur des in der Konstruktion enthaltenen Faserkohlenstoffs und Matrixkohlenstoffs, um dadurch die Wärmeleitfähigkeitskomponenten in der Ebene und durch die Ebene um mindestens eine Größenordnung zu erhöhen und dadurch die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, und verbessert die oxidative Stabilität, infiltriert die Anordnung mit Beschichtungsstoffen Verringerung von Porosität und Verbesserung der Steifigkeit.
Ein aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen hergestellter Parallelplatten-Wärmetauscher, der folgendes umfaßt: eine erste, zweite und dritte Kohlenstoff/Kohlenstoff-Platte, die in im wesentlichen parallel zueinander beabstandeter Beziehung angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Platte einen ersten Fluidstromdurchgang dazwischen definieren und die zweite und die dritte Platte einen zweiten Fluidstromdurchgang dazwischen definieren, mehrere erste gewellte Kohlenstoff/Kohlenstoff-Rippen, die zwischen der ersten und der zweiten Platte des ersten Durchgangs zur Leitung von Wärme von dem ersten Durchgang zur zweiten Platte angeordnet sind, mehrere zweite gewellte Kohlenstoff/Kohlenstoff-Rippen, die zwischen der zweiten und der dritten Platte des zweiten Durchgangs zur Leitung von Wärme von der zweiten Platte zum ersten Durchgang angeordnet sind, einen Gesamtstapel von abwechselnd ersten und zweiten Durchgängen zur Bildung einer integrierten gestapelten Anordnung ausreichender Größe zur Erzielung der gewünschten Gesamtwärmeübertragung zwischen den beiden strömenden Fluiden, wobei die Kohlenstoff/Kohlenstoff- Platten und die gewellten Rippen aus dünnen Bahnen aus gewebten, niedrigmoduligen Fasern aus auf Pech basierendem Kohlenstoff mit einer ersten bzw. zweiten Dicke gebildet werden und die Gewebebahnen mit einem kohlenstoffabgebenden Harz imprägniert sind.

Kurzbeschreibung dar Zeichnungen

Diese Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor; es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines herkömmlichen Parallelplatten-Wärmetauschers aus Metall;
Fig. 2 eine Darstellung eines Paralleiplatten- Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann;
Fig. 3a und 3b Darstellungen von Werkzeugen, die zur Herstellung von Rippen in einer auf Kohlenstoff basierenden Gewebebahn gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßig sind; und
Fig. 4 eine Darstellung eines Kohlenstoff-Vorformlings mit einer Gewebestruktur, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wobei Fig. 4a eine Leinwandbindung und Fig. 4b ein Gittergewebe zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Vorgehensweisen

Nunmehr auf Fig. 2 Bezug nehmend, wird ein Kohlenstoff/Kohlenstoff-Parallelplatten-Wärmetauscher 20 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, der mehrere flache parallele Kohlenstoff/Kohlenstoff-Platten 21 enthält. Zwischen den Platten 21 sind zur Trennung der Platten 22 für Fluidströmung und zur Erhöhung der Steifigkeit des Wärmetauschers 20 als ganzen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Rippen 22 angeordnet. Fluide 23 und 44, wie zum Beispiel Luft oder irgendein anderes Fluid, sollen in abwechselnden Schichten zwischen den Platten 21 strömen. Somit strömt das Fluid 33 zwischen den Platten 21a und 21b, während das Fluid 24 zwischen den Platten 21b und 21c strömt. Diese beiden durch die Platten 11 gebildeten Durchgänge werden als Heißdurchgang 29 und Kaltdurchgang 30 bezeichnet. Der zweite Durchgang 30 ist meistens so ausgerichtet, daß er die Strömung des zweiten Fluids 24 quer zur Strömung des ersten Fluids 23 im ersten Durchgang 29 erleichtert. Der erste und der zweite Durchgang 29 und 30 können auch parallel zueinander ausgerichtet sein, um die parallele Strömungsanordnung eines Gegenstrom-. Wärmetauschers bereitzustellen. In diesem Fall müssen besondere Vorkehrungen zur Unterstützung des Fluideintritts und -austritts getroffen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Platten 21 so gestapelt werden, daß sie abwechselnde erste und zweite Durchgänge 29 und 30 bilden, bis die Anordnung als ganzes die erforderliche Wärmeübertragung oder Austauschfähigkeit bereitstellt.
Die Herstellung eines kompakten Kohlenstoff/Kohlenstoff-Parallelplatten-Wärmetauschers aus auf Kohlenstoff basierenden Verbundwerkstoffen erfordert eine spezielle Reihenfolge von Herstellungsschritten, die unten beschrieben werden. Im allgemeinen beginnt, der Prozeß mit einem aus niedrigmoduligen Fasern aus auf Pech basierendem Kohlenstoff bestehenden Werkstoff, der sich leicht zu einer entweder für die Platte oder die Rippen geeigneten Gestalt formen läßt, und dann wird nach Herstellung einer Wärmetauscherkernanordnung aus den Einzelteilen der Werkstoff der zusammengebauten Konstruktion zum Erhalt eines fertigen Kerns mit den gewünschten Eigenschaften wärmebehandelt. Für die Platten 21 und Rippen 22 werden Gewebebahnen verwendet. Die Platte 21 kann aus beliebigen Gittergewebebahnen hergestellt sein, die die (unten beschriebene) Verdichtungsbehandlung, um im wesentlichen sämtliche Porosität in der Platte zu beseitigen, die Wärmeleitfähigkeit wesentlich zu erhöhen. Die Rippenbahn 22 kann ein Band oder ein Kreuzgewebe minimaler Dicke sein, die zu der gewünschten gewellten Rippenstruktur geformt sein kann. Es wird bevorzugt, daß die Dicke der ersten Gewebebahn, die für die Parallelplatte 21 verwendet werden kann, in einem Bereich von 0,025 - 0,05 cm (0,010 - 0,020 Zoll) und die Dicke der zweiten Gewebebahn, die zum Bilden der gewellten Rippen verwendet werden kann, in einem Bereich von 0,0076 - 0,025 cm (0,003 - 0,010 Zoll) liegen kann.
Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren können die unten ausführlich beschriebenen Schritte durchgeführt werden. Man stellt niedrigmodulige Fasern aus auf Pech basierendem Kohlenstoff bereit, die sich leicht zu einer entweder für die Platte oder die Rippen gewünschten Gestalt formen lassen. Bei einem bevorzugten Vorformling handelt es sich um eine gewebte Bahn aus kostengünstigen niedrigmoduligen Fasern aus auf Pech basierendem Kohlenstoff, zum Beispiel Amoco P30X oder Nippon XNC25. Die gewebte Matte kann eine beliebige von mehreren Gewebekonfigurationen aufweisen, die so ausgewählt ist, daß sie die gewünschte Dicke und die gewünschten Oberflächeneigenschaften ergibt. Beispielsweise einen in Fig. 4a dargestellten Vorformling mit einer Dicke in einem Bereich von ca. 0,025 - 0,05 cm (0,010 - 0,020 Zoll), und es hat sich herausgestellt, daß eine Leinwandbindung annehmbare Ergebnisse für die Platten liefert. In Fig. 4b wird eine Gittergewebebahn mit einer Dicke in einem Bereich von ca. 0,0076 - 0,25 cm (0,003 - 0,010 Zoll) dargestellt, die dazu verwendet werden kann, in Kombination mit den Werkzeugen nach den Fig. 3a und 3b die Platten mit Rippen zu versehen.
Solche Gewebebahnen werden mit einem geeigneten Harz, zum Beispiel einem Phenol- oder Epoxy-Novolakharz, durch einen Druckwalzprozeß imprägniert, bei dem die Bahn zum Beispiel zwischen einander gegenüberliegenden Walzen gequetscht wird. Das Harz kann entweder vor dem Walzen oder während des Walzvorgangs auf die Bahn aufgebracht werden. Wenn die sich ergebenden Bahnen die Walzen verlassen, sind sie in einem solchen Zustand, daß sie gehandhabt oder geformt werden können. Die Harzmenge wird sorgfältig gesteuert, so daß nach der · Pyrolyse der gewünschte Zustand vorliegt. Während der Pyrolyse wird die Masse des Harzes ausgebrannt, und der Rest wird zu Kohlenstoff umgewandelt. Die gewünschte Harzrückstandsmenge beträgt nicht mehr als ca. 20% des Ausgangsharzes oder vorzugsweise 3-11% des kombinierten Volumens der Verbundfaser- und Harzstruktur. Der nach der Pyrolyse des Harzes verbleibende Kohlenstoffrückstand wird nicht zu den guten Leitfähigkeitseigenschaften der Fasern umgewandelt und sollte daher nur das Minimum betragen, das zum Zusammenhalten der Struktur erforderlich ist.
Einige behandelte Bahnen können für die im wesentlichen flachen Platten 21 und andere behandelte Bahnen können zur Bildung speziell konfigurierter Rippen 22 verwendet werden. Es wird bevorzugt, daß die Rippen als gewellte Rippenstruktur geformt werden.
Die mit Harz imprägnierten gewebten Rippenbahnen 22 sind biegsam und können zu der gewünschten Rippengeometrie geformt und gebildet werden. Nunmehr auf Fig. 3 Bezug nehmend, werden Darstellungen von zwei Werkzeugen, die zur Bildung der gewünschten gewellten Rippenbahnen verwendet werden können, gezeigt. In Fig. 3a wird ein Einpreßwerkzeug gezeigt, das aus einer maschinell bearbeiteten Platte 40 besteht, die eine Reihe von angelenkten, im wesentlichen parallelen Metallfingern 42 aufweist, die Nuten 44 zur Aufnahme des Rippengewebes 22 darin definieren. Die Anzahl der Nuten/Finger pro Zoll definiert die Rippen pro Zoll und die Rippenhöhe der sich ergebenden gewellten Rippenstruktur. Die imprägnierten Gewebebahnrippen können vorzugsweise unter Verwendung von Teflon-Einführstreifen in die Nuten gepreßt werden.
Als Alternative dazu kann ein in Fig. 3b dargestelltes Überlappungswerkzeug 50 dazu verwendet werden, die mit Harz imprägnierten gewebten Rippenbahnen 22 um die Ränder jeder Metallplatte oder jedes Metallblatts zu wickeln, um eine gewellte Rippenbahn 22 zu bilden. Das erste Blatt 51 wird nach rechts zur Mitte und das zweite Blatt 52 nach links zur Mitte bewegt, um in der Rippenbahn 22 eine Wellung zu bilden. Während aufeinanderfolgende Blätter zur Mitte bewegt werden, bilden sich zusätzliche Wellungen. Die Anzahl der Nuten/Finger pro Zoll definiert die Rippen pro Zoll, und die Rippenhöhe der sich ergebenden gewellten Rippenstruktur wird durch den Abstand der Blattüberlappung definiert.
Dann werden die mit Harz imprägnierten Kohlenstoffasern 22 zwischen und in einer Anordnung aus parallelen Platten 21 gestapelt, so daß die in Fig. 2 gezeigte Konstruktion erhalten wird. Die Platten 21 werden vorzugsweise aus den gleichen Gewebebahnen gebildet und mit der gleichen Harzart imprägniert wie die Rippenbahnen 22. Jedoch können die abwechselnden Rippenbahnen verschiedene Geometrien aufweisen, und die Gewebebindung der Plattenbahnen 21 und der Rippenbahnen 22 kann sich auch unterscheiden. Dann wird die gestapelte Anordnung 20 in einem Niedrigtemperaturofen bei ca. 200-300ºC ausgehärtet, um alle Kohlenstoff/Kohlenstoff-Stücke miteinander zu verbinden. Das Aushärten erfolgt vorzugsweise durch langsames Erhitzen der imprägnierten Struktur bei einer Rate von höchstens 2ºC/min auf eine Aushärtungstemperatur von 180-250ºC über einen Zeitraum zwischen 20 Minuten und 5 Stunden und vorzugsweise unter einer Druckspannung von 0,01-2 Mpa (Megapascal).
Nun wird die imprägnierte und ausgehärtete Kohlenstoffaserharzstruktur gemäß einem vorgeschriebenen Temperatur-Zeit-Programm pyrolisiert. Zu einem typischen Pyrolyse-Programm gehört Erwärmen der ausgehärteten Struktur in einer inerten Atmosphäre oder in einem Vakuum über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 5 Stunden bei einer Rate von 1 - 5ºC/min (vorzugsweise 2ºC/min) auf eine Temperatur von 900 - 1000ºC. Der Hauptzweck der Imprägnierung und des Aushärtens/der Pyrolyse besteht darin, eine Struktur mit einer gewünschten Form und im Vergleich zu den Ausgangsbahnen erhöhten Steifigkeit bereitzustellen, um dadurch die Struktur zu verstärken und somit auch zusätzliches Handhaben zu erleichtern.
Der nächste Schritt ist die Verdichtung der Struktur durch Gasphaseninfiltration und Gasphasenabscheidung (CVI/CVD) von Kohlenstoff, um eine Gesamtschüttdichte von 1,70-2,20 g/cm³ und eine Mikrostruktur von abgeschiedenem Kohlenstoff, beispielsweise groblaminarem Kohlenstoff, zu erhalten. Eine solche Verdichtung kann in einem isothermen, isobaren CVI- Heißwandreaktor bei Temperaturen von 900-1100ºC unter Verwendung von kohlenstoffhaltigem Dampf oder gasförmigen Vorläufern, wie zum Beispiel Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Butan, Pentan, Cyclopentan oder Hexan, durchgeführt werden. Bei einem besonderen Beispiel kann zum Beispiel ein Cyclopentandampf (C&sub5;H&sub1;&sub0;) -Strom, entweder rein oder in Argon verdünnt, in einem Temperaturbereich von 1000-1100ºC verwendet werden, um in weniger als 12 Std. Dichten in einem Bereich von 1,70 - 1,95 g/cm³ bei einem Gesamtumwandlungswirkungsgrad zwischen 6 und 10% zu erhalten der Umwandlungswirkungsgrad ist definiert als die Kohlenstoffmenge, die als Feststoff in den Vorformling eingebettet wird, geteilt durch die Kohlenstoffmenge, die in den Reaktor im Vorläufer eingeführt wird).
Die CVD/CVI-Behandlung soll (a) die verbleibenden Hohlräume des Kohlenstoff/Kohlenstoff-Vorformlings mit Kohlenstoff füllen und dadurch eine Dichte erreichen, die hoch genug ist, die gewünschten mechanischen, thermischen und Permeations-/Dichtigkeitseigenschaften des Verbundwerkstoffs nach zusätzlicher Behandlung zu gewährleisten, und (b) die verbleibenden Hohlräume mit Kohlenstoff füllen, der die gewünschte, zum Beispiel eine groblaminare, Mikrostruktur aufweist, die nach geeigneter weiterer Wärmebehandlung durch Glühen geordneter und graphitischer wird und somit die gewünschte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Nach der Verdichtung wird der Wärmetauscherkern in einem Temperaturbereich von 1800-3000ºC geglüht, um die physikalischen Eigenschaften der Struktur weiter zu verbessern, indem sowohl der Faserkohlenstoff als auch der Matrixkohlenstoff, der in der Struktur vorhanden ist, geordneter (also graphitischer) gemacht wird. Durch diese Erhöhung der Wärmeleitfähigkeitskomponenten in der Ebene und durch die Ebene um Größenordnungen werden die gewünschten mechanischen Eigenschaften erhalten und die oxidative Stabilität wird verbessert.
Bei einigen Hochtemperaturanwendungen kann der Kohlenstoff/Kohlenstoff-Vorformling weiter behandelt werden, um die graphitisierte, verdichtete Struktur mit geeigneten Materialien zu infiltrieren und/oder zu beschichten, die nach geeigneter Wärmebehandlung für eine ausreichende oxidative Stabilität und einen ausreichenden Widerstand sowie verbesserte Dichtigkeit für die beabsichtigten Anwendungen sorgen. Zum Beispiel kann eine auf Phosphaten basierende Lösung zur Beschichtung/Infiltration der Kohlenstoff/Kohlenstoff- Struktur verwendet werden, und nach der Wärmebehandlung auf ca. 700ºC in einer inerten Atmosphäre kann eine solche Beschichtung der Kohlenstoff/Kohlenstoff- Struktur einen ausreichenden Oxidationswiderstand für Anwendung bei mäßig hoher Temperatur verleihen.
Darüber hinaus können SiC-Beschichtungen, funktionsabgestufte (SiC)xC1-x-Beschichtungen, Si&sub3;N&sub4;-Beschichtungen und andere ähnliche Werkstoffe alleine oder in Kombination in die und auf die graphitgeglühte, verdichtete Kohlenstoff/Kohlenstoff-Struktur ein- bzw. aufgebracht werden, um ihren Oxidationswiderstand und ihre Stabilität entweder alleine oder in Kombination mit auf Phosphat basierenden Beschichtungen zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung versteht sich, daß zur Herstellung eines Kohlenstoff/Kohlenstoff- Parallelplatten-Wärmetauschers aus diesen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Werkstoffen ein spezielles Herstellungsverfahren durchgeführt werden kann. Für Fachleute kommen verschiedene andere Modifikationen in Betracht, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie hier und im folgenden durch die folgenden Ansprüche definiert wird. Diese Verfahren können zur Herstellung von Wärmetauschern mit anderen Geometrien als die in Fig. 1 gezeigte durchgeführt werden. Dazu würden Gegenstrom-Konstruktionen, bei denen die beiden abwechselnden Rippendurchgänge in der gleichen Richtung angeordnet sind, anstatt in Querrichtung, sowie Wärmetauscher mit anderen Formen als eine rechteckige gehören.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff, bei dem man

mehrere Gewebebahnen aus niedrigmoduligen Kohlenstoffasern bereitstellt,

die Gewebebahnen mit Harz imprägniert,

die Bahnen zur Ausbildung von Platten und Rippen formt,

die Rippen 22 zwischen den Platten 21 stapelt, um eine gestapelte Plattenanordnung zu erhalten,

die Anordnung bei mäßiger Temperatur aushärtet, um die Platten und die Rippen miteinander zu verbinden, und

die Anordnung pyrolisiert,

dadurch gekennzeichnet, daß man bei dem Verfahren weiterhin die pyrolisierte Anordnung durch Gasphaseninfiltration (CVI) und Gasphasenabscheidung (CVD) von Kohlenstoff verdichtet, um eine Gesamtschüttdichte von 1,70-2,20 g/cm³ und eine Mikrostruktur von abgeschiedenem Kohlenstoff, die im wesentlichen groblaminarem Kohlenstoff gleichkommt, zu erhalten,

in einem Temperaturbereich von 1800-3000ºC glüht und

die Anordnung mit Antioxidantien infiltriert.

2. Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten- Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem Gewebebahnen aus niedrigmoduligen Fasern aus auf Pech basierendem Kohlenstoff bestehen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten- Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Harz aus der Gruppe umfassend Phenol-, Epoxid- und kohlenstoffabgebende Harze ausgewählt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten- Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das pyrolytische Erhitzen ein Erhitzen der ausgehärteten Anordnung in einer inerten Atmosphäre über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 5 Stunden bei einer Rate von 1-5ºC/min (vorzugsweise 2ºC/min) auf eine Temperatur von 900-1000ºC umfaßt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten- Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das pyrolytische Erhitzen ein Erhitzen der ausgehärteten Anordnung in einem Vakuum über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 5 Stunden bei einer Rate von 1-5ºC/min (vorzugsweise 20C/min) auf eine Temperatur von 900-1000ºC umfaßt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Parallelplatten- Wärmetauschers aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Verdichtung in einem isothermen, isobaren CVI-Heißwandreaktor bei Temperaturen von 900 - 110000 in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die Bestandteile ausgewählt aus der Klasse umfassend kohlenstoffenthaltenden Dampf, gasförmige Vorläufer, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Butan, Pentan, Cyclopentan oder Hexan umfaßt.