DD265570A1

DD265570A1 - Matrixmaterial fuer regeneratoren und verfahren zur herstellung eines feinmaschigen bleimantelsiebes

Info

Publication number: DD265570A1
Application number: DD87308515A
Authority: DD
Inventors: Dieter Reiche; Matthias Thuerk; Roderich Duerselen
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1987-11-02
Publication date: 1989-03-08
Also published as: DE3830907A1; JPH01150754A; US4874677A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Matrixmaterial fuer Regeneratoren und Verfahren zur Herstellung, insbesondere fuer Hochleistungsgeneratoren mit Arbeitstemperaturen unter 70 K. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bleisiebgewebe zu schaffen, mit denen im Stapel als Matrixmaterial Porositaeten von kleiner 0,25 erzielt werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Siebgewebe anzugeben. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe mit einem Bleisiebgewebe geloest, welches aus einem stabilen Grundgewebe mit Drahtdurchmessern zwischen 0,005 und 0,015 mm und einer Bleiummantelung mit Dicken von 0,025 bis 0,075 mm besteht. Dieses Bleisiebgewebe laesst sich sehr einfach zu einem Matrixmaterial stapeln. Verfahrensgemaess wird ein verfuegbares feinmaschiges Metallsiebgewebe, z. B. aus Messing, Bronze oder Edelstahl verwendet und nasschemisch oder elektrochemisch geaetzt, bis das Gewebe auf die erforderliche Drahtstaerke zwischen 0,005 bis 0,015 mm abgeduennt ist. Danach wird dieses abgeduennte Gewebe galvanisch mit Blei bis zur gewuenschten technologischen Maschenweite bzw. Bleischichtdicke von 0,025 bis 0,075 mm ummantelt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Matrixmaterial für Regeneratoren, insbesondere für Hochleistungsregeneratoren mit Arbeitstemperaturen unter 7OK.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der modernen Physik werden in zunehmendem Maße Kleinkältemaschinen zur Erzeugung tiefer Temperaturen (70 K bis 20 K) mit Kälteleistungen bis zu 5 W eingesetzt. Eines der wichtigsten Funktionselemente solcher Kleinkältemaschinen ist ein regenerativer Wärmetauscher (Regenerator).

Entsprechende Hochleistungsregenoratoren nach Gifford-McMahon nutzen in der ersten Stufe im Temporaturgebiet von 300K bis 70 K eine Regenerator-Packung aus Drahtgewebe mit Drahtdurchmessern von 0,05 bis 0,3 mm. Für die- zweite Temperaturstufe mit Arbeitstemperaturen unter 70 K wird wegen der hohen volumetrischen Wärmekapazität oxidfreies Bleipulver eingesetzt, da kein Bleidrahtgewebe mit den geforderten Abmessungen zur Verfügung steht (Walker, Cryocoolers Part II, S. 15, Plenum Press 1983). Das angestrebte Optimum der Porosität der Tieftemperatur-Packung liegt bei 0,05 bis 0,1 (Radebaugh, First step to the optimization of rogenerator geometry. NBS-SP-698, Mai 1985). Dieses angestrebte Optimum ergibt sich aus den teilweise gegenläufig wirkenden einzelnen Verlustmechanismen des Wärmeübergangs, der begrenzten spezifischen Wärmekapazität, der Strömungsdruckverluste, des Totvolumens und axialer Wärmeleitung. Der Stand der Technik kann das angestrebte Optimum von 0,05 bis 0,1 für die Porosität mittels Bleipulvnrverschüttung jedoch praktisch nur mit Porositäten von 0,37 bis 0,4 erreichen. Bei ideal dichten Kugelpackungen ließe sich ein Wert von 0,25 erreichen, üie eingesetzten Bleipulverpartikel mit mittleren Durchmessern von 0,1 bis 0,25mm lassen sich jedoch nicht ideal kugelförmig herslollen. Weiterhin erfordern die Betriebsbedingungen einer Kleinkältemaschine ein schnelles Umströmen des Matrixkörpers vom Arbeitsgas. Bei Verwendung herkömmlicher Kugelbettschüttungen entsteht durch den Strömungsdruckverlust an den einzelnen Partikeln ein semifluider Zustand des Festbettes, da der ^Γκ ι. .^verlust in der Größenordnung des Partikelgewichtes pro Strömungsfläche liegt. Dies führt zu einer Verwirbelung der F rtikel. Aus diesem Grund muß die Kugelbettschüttung mechanisch unter Druck gesetzt werden; der dazu erforderliche Mechanismus erhöht das Totvolumen im Regenerator, was sich negativ auf die Prozeßführung auswirkt.

In der DE-OS 3044427 wird für den Einsatz im Tieftemperaturteil des Regenerators ein Sintermetall angegeben. Mit diesem Material lassen sich /war geringe Porositäten erzielen, jedoch besitzen diese Sintermetalle gut leitende Wärmebrücken, was zu unerwünscht hoher Wärmeleitung und damit wiederum zu großen Effektivitatsverlusten führt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, den Wirkungsgrad von Hochleistungsregeneratoren zv. verbessern und den ökonomischen Aufwand zu senken.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bleisiebgewebe zu schaffen, mit denen im Stapel als Matrixmaterial Porositäten von kleiner 0,25 erzielt werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Vorfahren zur Herstellung derartiger Siebgewebe anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dio Aufgabe mit einem Bleisiebgewebe gelöst, welches aus einem stabilen Grundgewebe mit Drahtdurchmessern /wischen 0,005 und 0,015mm und oiner Bleiummantelung mit Dicken von 0,025 bis 0,075mm besteht. Ein derartiges Siebgewebe vereint die hohe mechanische Tragfähigkeit eines geeigneten Grundgewebes z. B. Brcnzedrahtgewebe, mit den gewünschten regenerativen Eigenschaften des Bleis (hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe volumetrische Wärmekapazität). Dieses Bleisiebgewebe läßt sich sehr einfach zu einem Matrixmaterial stapeln, bei der Möglichkeit,

piozeßbeeirsflussende Eigenschaften wie Porosität und Wärjneübertragungsfläche, in weiten Grenzen zu variieren. Damit ist ein Regeneratormaterial gegooen, 'Jas optimal an die jeweiligen Prozeßbedir.gungen angepaßt warden kann.

Außer hinreichend geringer Wärmeleitung l&ssen sich Porositäten unter 0.25 realisieren.

Die bleiumrnantelten Siebgewebepackungen gestatten auch unter Betriebsbedingungen, mechanisch und strömungstechnisch feste Mat'ixpackungen aufzubauen. Damit enfallen die mechanischen Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung einer stabilen Matrixpackung, so daß im Regenerator selbst das Totvolumen minimiert wird.

Das Matrixmaterial, in Form eines Stapels des angegebenen Siebgewebus, läßt sich auch weiter, je nach Anforderung, variieren.

So ^;st es möglich, das Matrixmaterial derart aufzubauen, daß zwischen einem oder mehreren bleiummantelten Siebgewoben altern^iend andere Siebgewebe ähnlicher Geometrie oder Folien mit großer Gasdurchlässigkeit bei niedriger Wärmeleitung angeordnet werden. Als derartiges anderes Siebgewebe kann /.. B. dao „stabile Grundgewebe" eingesetzt werden. Mit eine derartigen Variante kann insbesondere die ax'f-iö Wärmeleitung beeinflußt werden. Damit läßt sich auch eine quasikontinuierliche Verteilung obiger Eigenschaften längs der Regeneratorlängsachse erzielen, die einer optimalen Prozeßführung besser angepaßt ist.

Zur Herstellung des als Elemen' Ί js erfindungsgemäßen Matrixmaterials vorgeschlagenen bleiummantelten Siebgewebes wird f.dchfolgend ein spezielles Ve. fahren angegeben.

Verfahronsgemäß wird ein verfügbares feinmaschigos Metallsiebgewebe, z. B. aus Messing, Bronze oder Edelstahl verwendet und naßchemisch oder elektroc hemisch geätzt, bis das Gewebe auf die erforderliche Drahtstärke zwischen 0,005 bis 0,015 mm abgedünnt ist. Danach wird dieses abgedünnto Gewebe galvanisiert mit Blei bis zur gewünschten technologischen Maschenweite bzw. fak.ischichtdick^ ">n 0,025 bis 0,0"⁷BnIm ummantelt.

Ein derartig hergestelltes Bleisiebgb'. . je weist bei ausreichender mechanischer Stabilität im wesentlichen die physikalischen Eigenschaften eines originären Bleisiebes auf.

DdS erfindungsgemäß hergestellte Siebgewebe kann verfahrensgemäß noch weiter modifiziert werden. Zum Beispiel kann eine Härtung, d. h. Erhöhung der mechanischen Stabilität der Bleioberfläche vorgenommen werden. Dazu kann die Schutzschicht galvanisch oder durch vakuumtechnisches Beschichten aufgebracht werden. Des weiteren sind Ionenimplantationen mit Antimon, Zinn, Calcium, Barium, Natrium, Kalium, Lithium, Magnesium u.a. möglich. Variationen r.i^¹"* ?uc!i mit Legiorungsbestandteilen zu erzielen.

Durch gezielte Steuerung des galvanischen Prozesses der Bleiabscheidung ist auch eine unterschiedliche Oberflächenrauhigkeit eingestellt worden. Damit kann c*ie wärmetouschende Oberfläche und damit rier Wärmeübergang verändert werden bei gleicher Bleimasse gleicher Porosität.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu wurde erst eine verfahrensgemäße Bleisiebherstellung und danach dessen Einsatz beschrieben.

Als Grundgewebe wird Messingsiebgewebe verwendet mit einom Drahtdurchmesser von 0,063 mm und 110 Maschen pro cm.

In einer 6%igen FeCI₃-Lösung wurde dieses Siebgewebe auf einen Drahtdurchmesser von 0,02 mm abgodünnt und in destilliertem Wasser gespült.

Die Elek'rol /tlös-mg besteht aus 6,5 Ma. % PbO, 14 Ma.-% HCIO₄ und 79,5 Ma. % destilliertem Wasser mit 3 Körnern Gelatine pro 100g Elektrolyt. D^;e Herstellung des Elektrolyten geschieht wie folgt: Das PbO wird unter langsamer Zusetzung vun HCIO₄ bei heftiger Wärmeentwicklung aufgelöst, danach werden das destillierte Wasser und die Gelatine zugegeben.

Bei einem Abstand von 3cm zwischen der Siebkatode und der flächenhaft ν .^stalteten Bleianode wird bei einer Stromdichte von 300A/m⁷ die Bloiumrr.mtelung bis etwa zu 3/4 der erforderlichen Bleistärke aufgalvanisiert. Nachfolgend wird die Siebkatode gewendet, so daß die ursprünglich der Bleianodo abgewandte Seite der Bleianodo zugewendet ist. Bei einer Stromdichte von 100 A/m* wird die endgültige Bleistärke aufgalvanisiert.

Im Beispiel wurdo ein Bleisiebgewebe mifOinern mittleren Gesamt-„Drahtdurchmesser" von 0,13mm hergestellt.

In der einfachsten Form werden dieso einzelnen Siebgewebe zu einem Stapel von, je nach Erfordernis, etwa 50mm Höhe übereinander angeordnet und als Matrixmaterial in der Tieftempera!urstufe eines Hochleistungf.-Regenerators mit Arbeitstemperatur unterhalb 7OK eingesetzt.

Weitere Variationsmöglichkeiten des Matrixmaterials wurden in der Beschreibung ausführlich angegeben und können nach Bedarf realisiert werdor.

Mit dem im Beispiel angegebenen Matrixmaterial werden Porositäten von etwa C,23 realisiert.

Claims

1. Matrixmaterial für Regeneratoren zur Verwendung in Refrirjeratoren mit Kühltemperaturen unter 7OK, gekennzeichnet dadurch, daß eine Vielzahl von Siebgeweben, weiche aus einem stabilen Grundgewebe mit Orahtdurchmessern zwischen 0,005 und 0,015mm und einer Bleiummantelung mit einer Dicke von 0,025 bis 0,075 besteht, zu einem Stapel geschichtet wird.

2. Matrixmaterial nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den mit Blei ummantelten Siebgeweben alternierend anderes Siebgewebe ähnlicher Geometrie oder Folien mit größerer Gasdurchlässigkeit bei niedriger Wärmeleitung angeordnet sind.

3. Matr ^-material nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als anderes Siebgewebe das stabile Grundgevibe verwendet wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines feinmaschigen Bleimantelsiebes zur Verwendung o\. Matrixmaterial von Regeneratoren, gekennzeichnet dadurch, daß ein verfügbares stabiles Drahtsiebgewebe elektro- oder naßchemisch auf eine verbleibondo Drahtstärke von kleiner 0,015 mm abgedünnt und nachfolgend galvanisch mit Blei bis zur erforderlichen Schichtdicke beschichtet wird.