DE3011282A1

DE3011282A1 - Waermeabsorber, insbesondere plasmastrahlenabsorber und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3011282A1
Application number: DE19803011282
Authority: DE
Inventors: Helmut Fraenkle; Johann Dr Hemmerich; Peter Dipl Phys Dr Kupschus
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH; Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-03-24
Filing date: 1980-03-24
Publication date: 1981-10-01
Also published as: CH655384A5; DE3011282C2; GB2079638B; GB2079638A; FR2482278B1; US4431488A; US4485866A; FR2482278A1; JPS56150389A

Description

Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber und Verfahren zu seiner Herstellung _

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber und Verfahren zur Herstellung eines solchen Absorbers, im wesentlichen bestehend aus einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, in der von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle vorgesehen sind, die von einer der Wärme aus-, gesetzten bzw· den Plasmastrahlen getroffenen Außenwand, ebenfalls aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, abgedeckt sind, wobei die Herstellung derselben insbesondere galvanoplastisch erfolgt, derart, daß die Kühlkanäle mit elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden, dann die Außenwand aufgalvanisiert und anschließend das Wachs ausgeschmolzen wird.

Nach der US-Patentschrift 3 595 025 und der deutschen Patentschrift 1 751 691 sind Raketenbrennkammern bekannt, die im wesentlichen aus einer Grundstruktur bzw. einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer bestehen, in die längsverlaufende Kühlkanäle eingefräst sind, die mit einer Außenwand, ebenfalls aus gut leitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, galvanoplastisch abgedeckt sind. Dies geschieht in der Weise, daß nach dem Einfräsen der Kühlkanäle diese mit einem elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden, dann die Außenwand aufgalvanisiert und anschließend das Wachs wieder ausgeschmolzen wird.

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Durch die Kanäle wird zum Abtransport der anfallenden Wärme eine kryogene Treibstoffkomponente durchgeleitet und so die Innenwand der Brennkammer während des Raketenbetriebes intensiv gekühlt und gleichzeitig die Treibstoff komponente für die Einbringung in den Brennkammerkopf thermisch aufbereitet bzw. verdampft. Während des Raketenbetriebes wird also die Innenwand thermisch hoch beansprucht, die durch ihre Stege festigkeitsmäßig versteift ist und daher im Verband mit der Außenwand gegen Verwerfungen ein hohes Widerstandsmoment aufweist. Während es bei Raketenbrennkammern gilt, über den Innenraum des ganzen Gehäuses annähernd gleichmäßig verteilt einen hohen Wärmeanfall mit abnehmendem Wärmegradienten nach der Schubdüse und einem relativ kühleren Bereich am Brennkammerkopf aufgrund der hier vorherrschenden Verdampfungskühlung aufzunehmen und wegzutransportieren, liegt das vorliegende Problem hauptsächlich darin, daß der in Rede stehende Wärmeabsorber in erster Linie örtlichen thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Handelt es sich um einen Plasmastrahlenabsorber, so wird dieser von extremen Strahlenschocks lokal getroffen, die auch zu großen Wärmedehnungen führen.

Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, den Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber gestaltungstechnisch so zu konzipieren, daß die durch die lokalen extremen Hitzeeinwirkungen unvermeidlichen Spannungen und die damit Hand in Hand gehenden Dehnungen ohne Schaden für dieses Bauteil von diesem aufgenommen werden bzw. innerhalb desselben "verarbeitet" werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Außenwand über den Kühlkanälen - in Richtung derselben betrachtet — einzelne Aufwölbungen mit dazwischenliegenden Abstandsfeidern aufweist.

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Durch die Erfindung ist die Gewähr gegeben, daß sich die dem extremen Wärmeanfall örtlich unmittelbar ausgesetzte Außenwand der Gesamtstruktur flächenmäßig in beiden Hauptrichtungen (Länge und Breite bzw. in Umfangsrichtung) und letzten Endes auch in Höhenrichtung, d.h. praktisch dreidimensional ohne Selbstzerstörung ausdehnen kann, wodurch sich ihre inneren Spannungen schadlos abbauen.

Dieses erfindungsgemäße Grundmuster läßt sich im Hinblick auf die beabsichtigte Wirkung in Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch steigern, daß dliySie? einem der Kühlkanäle im Abstand hintereinander liegenden einzelnen Aufwölbungen in bezug auf die über den beiden jeweils benachbarten Kühlkanälen befindlichen einzelnen Aufwölbungen - in Längsrichtung der Kühlkanäle bzw. in Strömungsrichtung des Kühlmediums betrachtet - versetzt zueinander angeordnet sind.

Damit wird gestaltungstechnisch ein Spannungsabbau geometrisch auch schräg zu den beiden angegebenen Hauptrichtungen erleichtert bzw. möglich gemacht.

Zur Herstellung der vorgeschlagenen Aufwölbungen wird gemäß der Erfindung so verfahren, daß nach dem Galvanisieren die noch ungewölbte Außenwand nur an den Abstandsfeldern zwischen den späteren Auswölbungen in radialer Richtung nach außen fixiert wird und dann zur Erzeugung der einzelnen Aufwölbungen die Kühlkanäle unter Druck gesetzt werden.

Eine besonders günstige Ausführungspraxis des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, auf der noch ungewölbten Außenwand zur Fixierung der Abstandsfelder zwischen den einzelnen Auswölbungen eine ein- oder mehrgängige Drahtwicklung mit gegenseitigen Abständen der einzelnen Windungen aufzubringen und dann zur Druckerzeugung den Wärmeabsorber bzw. Plasmastrahlenabsorber mit dem noch nicht ausgeschmol-

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senen Wachs zu erhitzen, wobei sich dieses stärker ausdehnt als das Metall der Innen- und Außenwand und so die einzelnen Auswölbungen in der statisch schwächeren Außenwand erzeugt, worauf nach Abkühlung die Drahtviicklung entfernt und das Wachs ausgeschmolzen wird.

Eine technisch vereinfachte Herstellungsweise zur Erzeugung einzelner, im Abstand voneinander angeordneter Aufwölbungen liegt darin, durch Erhitzen des in den Kühlkanälen befindlichen Wachse zunächst über den Kühlkanälen durchgehende Aufwölbungen zu erzeugen, worauf nach dem Abkühlen und Ausschmelzen des Wachses, insbesondere durch schräges Rollen mittels Profilrollen die vorgenannten durchgehenden Aufwölbungen im Bereich der späteren Abstandsfeider zurückdeformiert werden, so daß hierdurch die Abstandsgelder entstehen·

Eine bevorzugte Bau- und Herstellungsweise eines erfindungsgemäßen Wärmeabsorbers bzw. eines Plasmastrahlenabsorbers besteht ferner darin, daß zum Aufgalvanisieren der Außenwand mit lichtem Abstand an die Innenwand letztere viele einzelne Befestigungskörper als Stege aufweist, die im Abstand zueinander in Reihen quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums angeordnet sind, wobei aufeinanderfolgend die Eefestigungskörper der einen Reihe zu den Eefestigungskörpern der anderen Reihe - in Strömungsrichtung betrachtet - auf Lücke

. stehen und nach dem Galvanisieren der Außenwand zur Erzeugung der Aufwölbungen die Kühlkanäle unter Druck gesßbzt werden·

Dabei können die einzelnen Befestigungskörper so angeordnet sein, daß sie mit ihren vorderen und hinteren Enden noch in die zwischen den anderen Befestigungskörpern befindlichen Lücken hineinreichen. Damit wird das Muster der flächenmäßig zusammenhängenden Aufwölbungen so vielfältig konfiguriert, daß außer den größeren Aufwölbungen zwischen cen einzelnen

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Bef es t igung skörp era der einseinen Reihen in den vorgenannten Bereichen der Lücken an den Enden der Befestigungskörper niveaumäßig Einbeulungen entstehen, wodurch das Ausdehnungsmuster erweitert und variiert wird.

Die Druckgebung auf die Außenwand kann zur Erzeugung der Aufwölbungen erfindungsgemäß in ökonomischer Weise herstellungstechnisch wieder so erfolgen, daß nach dem Galvanisieren der Aul3enwand der Wärmeabsorber bzw. Plasmastr^hlenabsorber mit dem noch nicht ausgeschmolzenen Wachs erhitzt wird, wobei sich letzteres stärker ausdehnt als das Metall der Innen- und Außenwand und so die Auswölbungen erzeugt, worauf das Wachs ausgeschmolzen wird.

Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und gleichzeitigen Erhöhung des Wärmeaustauschgrades wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, die einzelnen Befestigungskörper stromlinienförmig auszubilden.

Durch die vorerwähnte Strukturierung der Außenwand mit Hilfe der einzelnen Befestigungskörper und deren Lokalisierung zueinander wird die Außenwand zur zerstörungsfreien Überwindung des auftretenden Wärmeanfalles gestaltungstechnisch in besonders günstiger Weise vorpräpariert bzw. vorprogrammiert, insofern, als geometrisch bzw· flächenmäßig in jeder Richtung annähernd gleiche DehnungsVerhältnisse vorgegeben sind, die Spannungsspitzen nicht entstehen lassen, wodurch die Lebensdauer entscheidend erhöht wird.

Wie angedeutet, findet der Erfindungsgegenstand insbesondere Anwendung zum Auffangen von Plasmastrahlen bei Fusionsreaktoren. Um die vorgeschlagene Struktur in diesem extremen Fall vor Überhitzung zu bewahren, wird hierbei vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Wandstruktur auf einem rotierenden Träger vorzusehen, so daß jeweils der von den Plasmastrahlen

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getroffene und hocherhitzte Wandbereich aus der Strahlung wieder herausgedreht wird und eine Umdrehung Zeit hat, sich von der Erhitzung wieder zu "erholen", d.h. abzukühlen, wobei der Wärmeanfall vom durchströmenden Kühlmedium weggetragen wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Pig. I einen Schnitt quer zur vorgeschlagenen Struktur,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die vorgeschlagene Struktur mit einer aufgebrachten Drahtwicklung zur nur bereichsweisen Fixierung der Außenwand,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der vorgeschlagenen Struktur,

Fig. 4 die Ansicht eines zylinderförmigen Plasmastrahlenabsorbers mit der vorgeschlagenen Struktur als Außenmantel und

Fig. 5 die Endherstellung der einzelnen Aufwölbungen mittels einer Profilrolle.

In einer Innenwand 1 aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, sind durchlaufend Kühlkanäle 2 vorgesehen bzw. eingearbeitet, die zur galvanoplastischen Aufbringung einer Außenwand 3 mit elektrisch leitendem Wachse ausgefüllt werden. Dann wird die Außenwand 3, insbesondere gleichfalls aus Kupfer, galvanoplastisch aufgetragen, die gemäß der in P'ig. 1 gezeigten zylindrischen Grundform bezüglich der Innenwand 1 und einer Trägerwand 4 zunächst ebenfalls durchgehend eine zylindrische Grundform aufweist. Durch die galvanoplastische Auftragung haftet die Außenwand 3 mit ihrer Innenfläche fest an den radial nach außen zeigenden Befestigungsflächen 5 der Stege 6.

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Aus den in der Beschreibungseinleitung näher beschriebenen Gründen soll die Außenwand 3 mit Auswölbungen 7 versehen werden. Dies kann ζ·Β. so geschehen, daß auf der noch zylindrischen Außenwand 3 eine Drahtwicklung mit einzelnen Drahtwindungen 8 aufgetragen bzw. aufgespannt wird, worauf das noch in den Kühlkanälen 2 befindliche Wachs erwärmt wird, das sich dabei stärker ausdehnt, als die aus Metall, insbesondere Kupfer, gefertigte Innenwand 1 und Außenwand 3, wodurch sich zwischen den einzelnen Drahtwindungen B die Außenwand 3 aufbeult, so daß einzelne Aufwölbungen 7 entstehen , zwischen denen, durch die Drahtwindungen 8 erzwungen, Abstandsfeider 9 verbleiben.

Wie in Figur 3 dargestellt, weist die Innenwand 11 stromlinienförmige Befestigungskörper 12a und 12b auf, die in Reihen Rl und R2 angeordnet sind, wobei die Befestigungskörper 12a der Reihen Rl zu den Befestigungskörpern 12b der Reihen R2 auf Lücke stehen, und zwar so, daß die vorderen und hinteren Enden der Befestigungskörper 12a bzw· 12b - in Strömungsrichtung des Kühlmediums K gesehen· noch in die Lücken hineinragen. Zum Aufwölben der Außenwand 13 wird wiederum nach dem Galvanisieren derselben das Wachs im Kühlkanalsystem zwischen den einzelnen Befestigungskörpern 12a und 12b belassen und die Struktur aufgeheizt. Durch das stärkere Ausdehnen des Wachses gegenüber dem Metall der Innenwand 14 und der Außenwand 13 werden in letzterer zwischen den einzelnen Befestigungskörpern 12a bzw. 12b jeweils einer Reihe Rl bzw. R2 Aufwölbungen 17 erzeugt, die, über die gesamte Fläche betrachtet, ineinander übergehen und an den Endbereichen der einzelnen Befestigungskörper 12a bzw. 12b niveaumäßig Einbeulungen 17a aufweisen, so daß flächenmäßig ein durchgehendes niveaumäßig unterschiedliches Aufwölbungssystem entsteht, das dem beabsichtigten Zweck der Spannungsabbaues praktisch voll entgegenkommt.

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Wie aus Figur 4 hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Wandstruktur auf einem drehbar gelagerten Zylinder Z als Außenmantel angeordnet. Die Wärmestrahlen, insbesondere Plasmastrahlen sind dabei mit P bezeichnet.

In Fig. 5 ist im Prinzip dargestellt, wi*" mit Hilfe eines . Prägewerkzeugs, einer Rolle W, die Endherstellung der einzelnen Aufwölbungen 7 erfolgt. Hierbei ist in der gezeigten Fig. 5 oberhalb der Rolle W die vorher durch Wachsausdehnung erzeugte, noch durchgehende Aufwölbung 7a zu sehen, während unterhalb der Rolle W bereits die endgültige Profilierung der Außenwand 3 zu erkennen ist. Die Rolle W läuft schraubenförmig um das zylindrische Werkstück (Wärmeabsorber) herum.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Wärmeabsorber, insbesondere Plasmnstrahlenabsorber und Verfahren zur Herstellung eines solchen Absorbers, im wesentlichen bestehend aus einer Innenwand aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, in der von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle vorgesehen sind, die von einer der Wärme ausgesetzten bzw. den Plasmastrahlen getroffenen Außenwand, ebenfalls aus gut wärmeleitendem Werkstoff, insbesondere Kupfer, abgedeckt sind, wobei die Herstellung derselben insbesondere galvanoplastisch erfolgt, derart, daß die Kühlkanäle mit elektrisch leitendem Wachs ausgefüllt werden, dann die Außenwand aufgalvanisiert und anschließend das Wachs ausgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (3) über den Kühlkanälen (?) - in Richtung ,derselben betrachtet - einzelne Aufwölbungen-~lJ7) mit dazwischenliegenden Abstandsfeldern (9) aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber nach Anspruch 1, mit durchlaufenden Kühlkanälen und diese begrenzenden durchlaufenden Stegen, dadurch gekennzeichnet , daß die jeweils über einem Kühlkanal (2) im Abstand hintereinander liegenden einzelnen Aufwölbungen (7) in bezug auf die über den beiden jeweils benachbarten Kühlkanälen (2) befindlichen einzelnen Aufwölbungen (7) - in Längsrichtung der Kühlkanäle (2) bzw. in Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) betrachtet - versetzt zueinander angeordnet sind.
3. Verfahren zur Herstellung der Aufwölbungen gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Galvanisieren der Außenwand (3) die noch ungewölbte Außenwand (3) nur an den Abstandsfeldern (9) zwischen den späteren Auswölbungen (7) in radialer Richtung nach außen fixiert wird und dann zur Erzeugung der einzelnen Aufwölbungen (7) die Kühlkanäle (2) unter überdruck gesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß auf der noch ungewölbten Außenwand (3) zur Fixierung der Abstandsfelder (9) eine ein- oder mehrgängige Drahtwicklung mit gegenseitigen Abständen der einzelnen Windungen (8) aufgebracht wird und daß dann zur Druckerzeugung der Wärmeabsorber bzw. Plasmastrahlen-

., ,eingeschlossenen, . _ _XT .

absorber mxt dem/noch ment ausgeschmolzenen Wachs erhitzt wird, wobei sich letzteres stärker ausdehnt als das Metall der Innenwand (1) und Außenwand (3) und so die einzelnen Auswölbungen (7)*)erzeugt, worauf nach Abkühlung die Drahtwicklung entfernt und das Wachs ausgeschmolzen wird.

- 3 *) in der statisch schwächeren Außenwand (3)

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5. Verfahren zur Herstellung von Aufwölbungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das in den Kühlkanälen (2) eingeschlossene, nicht ausgeschmolzene Leitwachs erhitzt wird, wobei sich letzteres stärker ausdehnt als das Metall der Innenwand (1) und Außenwand (3) und so über den Kühlkanälen (2) zunächst durchgehende Aufwölbungen in der statisch schwächeren Außenwand erzeugt, worauf nach dem Ausschmelzen des Wachses insbesondere durch schräges Rollen mittels Profilrollen die durchgehenden Aufwölbungen im Bereich der späteren Abstandsfelder (9) zurückdeformiert werden.
6. Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber und Verfahren zur Herstellung der Aufwölbungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zum Angalvanisieren der Außenwand (13) mit Abstand an die Innenwand (11) diese viele einzelne Befestigungskörper (12a und 12b) als Stege aufweist, die im Abstand zueinander in Reihen (Rl und R2) quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums (K) angeordnet sind und daß nach dem Galvanisieren der Außenwand (13) zur Erzeugung der Aufwölbungen (17) das Kühlkanalsystem (22) unter Druck gesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Galvanisieren der Außenwand (13) der Wärmeabsorber bzw· Plasmastrahlenabsorber mit dem eingeschlossenen, noch nicht ausgeschmolzenen Wachs erhitzt wird, wobei sich letzteres stärker ausdehnt als das Metall der Innenwand (11) und Außenwand (13) und so die Auswölbungen (17) in der statisch schwächeren Außenwand (3) erzeugt, worauf das Wachs ausgeschmolzen wird.
8. Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber nach Anspruch G und 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungskörper (12a) der einen Reihe (Rl) zu

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den Befestigungskörpern (12b) der anderen Reihe (R2) in Strömungsrichtung auf Lücke stehen und mit ihren Enden in diese Lücken noch hineinragen·
9. Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die einzelnen Befestigungskörper (12a und 12b) stromlinienförmig ausgebildet sind.
10. Wärmeabsorber, insbesondere Plasmastrahlenabsorber nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die V/endstruktur den Außenmantel eines Zylinders bildet, der drehbar gelagert ist.

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