DE2328792B2 - Heissgasmotor und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

Description

und Drücke auftreten, keine oder nahezu keine Risse stange 5 versehen, nie den Kolben bzw. den Verdränger

aufweist. Dies läßt sich wahrscheinlich durch die Tat- mit einem nicht dargestellten Getriebe verbinden,

sache erklären, daß die Siliziumnitridschicht praktisch Zwischen dem Kolben und dem Verdränger befinden

immer unter Druckspannung steht. sich ein Verdichtungsraum 6, der über einen Kühler 7,

Auf diese Weise ist es möglich geworden, in einem 5 einen Regenerator 8 und einen Erhitzer 9 mit einem

Heißgasmotor Wasserstoff als Arbeitsmittel zu ver- über dem Verdränger befindlichen Expansionsraum 10

wenden, ohne daß oft nachgefüllt zu werden braucht. verbunden ist.

An sich ist es aus der Halbleitertechnik bekannt, daß Der Erhitzer 9 besteht dabei tus einem Kranz von Siliziumnitridschichten durch Pyrolyse aus einem Gas- Rohren, wobei die Rohre 11 sich mit der einen Seite gemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung i° an den Regenerator 8 und mit der anderen Seite an und Ammoniak enthält auf einer Siliziumbasis was- einen Ringkanal 12 anschließen und die Rohre 13 den serstoffdicht angebracht sind. Gegebenenfalls sind Ringkanal 12 mit dem Expansionsraum 10 verbinden, dabei keine Maßnahmen getroffen worden um zu ge- Um den Erhitzer 9 liegt ein Vorerhitzer 14, in dem währleisten, daß eine derartige Schicht auch nachdem Luft und Verbrennungsgase miteinander in Wärmesie längere Zeit hohen und wechselnden Temperaturen 15 austausch sind. Diese vorgeheizte Luft wird einem sowie Drücken ausgesetzt gewesen ist, und nach Brenner 15 zugeführt, der über eine Leitung 16 Brennplastischer Verformung noch immer Wasserstoffdiffu- stoff zugeführt bekommt,
sion vermeidet. Die Wirkungsweise eines derartigen Motors wird als

Um dafür zu sorgen, daß fast sicher keine Zugspan- bekannt vorausgesetzt. Als Arbeitsmittel befindet sich

nungen in der Siliziumnitridschicht im Betrieb auf- 20 im Raum im Motor Wasserstoff. Die Rohre, aus denen

treten, weist eine weitere Ausführungsform des erfin- der Erhitzer 9 zusammengestellt ist, sind an der Innen-

dungsgemäßen Heißgasmotors das Kennzeichen auf, seite mit einer Siliziumnitridschicht versehen. Dieses

daß die Siliziumnitridschicht bei einer Temperatur Siliziumnitrid kann beispielsweise dadurch auf den

aufgebracht ist, die höher ist als 750°C und nicht mehr Rohren angebracht sein, daß die Rohre vor ihrer

als I00°C von der im Betrieb auftretenden maximalen 25 Montage in einem isothermen Ofen auf eine Tempe-

Temperatur abweicht. Das Auftragen einer Schicht ratur erhitzt worden sind, die zwischen 750 und 900°C

soll im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 750°C liegt und daß danach ein Gasgemisch, das Silizium in

und 900° C erfolgen, wobei eine amorphe und gut gas- einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem

dichte Schicht erhalten wird. Bei niedrigeren Tempe- Ammoniak enthält, durch diese Rohre geführt worden

raturen ist die Anwachsgeschwindigkeit der Schicht zu 30 ist.

gering, während über 900°C die Schicht in zunehmen- Auf diese Weise können ErhiUerrohre aus Multimet dem Maße kristallin wird, was die Gasdichtigkeit nicht (Dehnungskoeffizient: 18,1 bis 10'⁶/°C, durchschnittfördert. Die Schichtdicke liegt meistens zwischen 0,1 lieh von 20 bis 1000° C) mit einem Innendurchmesser und 1 μιτι. von 3 mm und einer Länge von 700 mm in einem iso-

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren 35 thermen Ofen auf 840°C erhitzt werden. Dem Rohr zum Herstellen eines Heißgasmotors, der mit einem wird ein Gemisch aus 5% Silan (SiH₄) in Argon, Erhitzer versehen ist, der aus einer Anzahl Rohre auf- Ammoniak (NH₃) und Wasserstoff (Verhältnis in gebaut ist, die einerseits durch Verlötung mit dem Volumenteilen gleichen Drucks und gleicher Tempe-Generator und andererseits durch Verlöten mit dem ratur [0,05 + I]: 1:50) mit einem Durchsatz von Raum mit höherer mittlerer Temperatur verbunden 40 2,6 l/min zugeführt. In 15 min wird eine homogene lind. Das Verfahren ist dabei dadurch gekennzeichnet, Schicht mit einer Dicke von 0,12 μιτι erhalten. Der daß die Rohre in einem Lötofen mit dem Regenerator Wasserstoffdiffusionskoeffizient dieses Rohrs beträgt und dem Raum höherer Temperatur verlötet werden, bei 750°C und 30 at 0,15 cm³mm/dm² · h · at · V2·
wonach das Ganze abgekühlt wird, wobei beim Er- Nachdem ein solcherart behandeltes Rohr aus gereichen einer Temperatur von 900°C die Rohre mit 45 rädern Zustand zu einer Krümmung mit einem Radius einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen R = 52 mm gebogen worden war, betrug der Wasser-Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak Stoffdiffusionskoeffizient bei 750°C und 30 at: 0,55. enthält, durchspült werden, wobei sich an der Innen- Es sei bemerkt, daß der Wasserstoffdiffusionskoeffiwand der Rohre eine Siliziumnitridschicht bildet. zient des unbedeckten Rohrs bei 750° C 30 at 26 betrug.

Ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Heiß- 50 Daraus geht hervor, daß die aufgetragene Siliziumgasmotors ist nach der Erfindung dadurch gekenn- nitridschicht die Wasserstoffdiffuison auch nach großer zeichnet, daß der Heißgasmotor nach seiner Montage plastischer Verformung noch sehr gut verringert,
mit einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Eine andere Möglichkeit, die Siliziumnitridschicht Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak ent- anzubringen, ist die, bei der ein Gasgemisch wie obenhält, gefüllt wird, wonach der Heißgasmotor mit Hilfe 55 stehend genannt als Arbeitsmittel eingesetzt wird, woseines Erihtzungssystems auf die zum Auftragen der nach mit dem Brenner der Erhitzer auf die zum AufSchicht erwünschte Temperatur gebracht wird, wonach tragen der Schicht gewünschte Temperatur gebracht der Heißgasmotor gestartet und das Gasgemisch an und der Motor gestartet wird. Das Gasgemisch wird den warmen Teilen entlang geführt wird, wobei sich dann hin- und herfließen, wobei sich an den warmen an diesen Teilen eine Siliziumnitridschicht bildet. 60 Teilen eine Siliziumnitridschicht bildet. Die Dicke der

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf aufgetragenen Schicht liegt in der Größenordnung

schematische Weise und nicht maßgerecht in der von einigen 10 μιτι.

Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher Das Auftragen erfolgt bei Temperaturen zwischen

beschrieben. 750 und 900° C weil oberhalb dieser Temperatur die

Dabei ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder an- 65 Schicht in zunehmendem Maße kristallin wird, wogedeutet, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 durch die Wasserstoffdiffusion wieder zunimmt. Im beweglich sind. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 genannten Temperaturbereich ist die gebildete Schicht sind mit einer Kolbenstange 4 bzw. einer Verdränger- amorph mit einem thermischen Ausdehnungskoeffi-

zienten in der Größenordnung von 4 · IO^e/°C zwischen 0 und 1000⁰C, dies gefügt zu der konkaven Form der Innenoberfläche der Rohre und dem größeren Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Rohre als der des aufgetragenen Siliziumnitrids, schafft eine Schicht, die auch nach längerer Betriebszeit auf sehr wirksame Weise Wasserstoffdiffusion verhindert. Als Materialien für die Rohre kommen das bereits erwähnte Multimet und Inconel, Haynes 25 und Hastelloy in Betracht. Die Zusammenstellung und der Ausdehnungskoeffizient dieser Materialien sind:

Multimet: Co 18,5, Ni 19, Cr 20, Mn 1,Si 1,Ta 0,75, W 2, Mo 2,5, Fe Rest, Ausdehnungskoeffizient 18,1 · 10-⁶ (20 bis 100⁰C).

Inconel: Ni 73, Cr 15, Fe 7, Mn 0,7, Ti 2,5, Si 0,3, Al 0,9, Nb 0,9, Ausdehnungskoeffizient 17 · 10-" (20 bis 900⁰C).

Haynes 25: Co 52, Ni 10, Cr 20, Fe 3, W 15, Ausdehnungskoeffizient 16,5 · 10 " (20 bis 900⁰C).

Hastelloy: Co 1,5, Ni Rest, Cr 22, Fe 18,5, Mo 9, Ausdehnungskoeffizient 16,5 ■ 10-^β (0 bis 1000⁰C).

Es dürfte einleuchten, daß die aufgetragene Siliziumnitridschicht es ermöglicht, als Arbeitsmittel in einem Heißgasmotor Wasserstoff mit allen damit einhergehenden Vorteilen zu verwenden, ohne daß eine öftere Wartung durchgeführt werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Heißgasmotor mit einem oder mehreren Räumen mit veränderlichem Volumen und höherer mittlerer Temperatur sowie mit einem oder mehreren damit verbundenen Räumen mit ebenfalls veränderlichem Volumen und niedrigerer mittlerer Temperatur, wobei sich in jeder der Verbindungen zwischen diesen Räumen ein Regenerator befindet, wobei die genannten Räumen und die zwischenliegenden Verbindungen mit einem im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Arbeitsmittel gefüllt sind, das durch den Regenerator hin- und herströmt, dadurch gekennzeichnet, daß »5 die im Betrieb eine hohe Temperatur aufweisenden Innenwände der genannten Räume (6 bis 13) sowie die der Verbindungen mit einer Siliziumnitrid- «chicht bedeckt sind, wobei die betreffenden Wand- teile eine konkave Form aufweisen und aus einem *° Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten derselben Größenordnung oder grö-Ber als der des aufgetragenen Siliziumnitrids hergestellt sind und die Siliziumnitridschicht dadurch aufgetragen ist, daß die betreffenden Wandteile bei hoher Temperatur mit einem strömenden Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak enthält, in Kontakt gebracht worden sind.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- 3« kennzeichnet, daß die Siliziumnitridschicht bei einer Temperatur der betreffenden Wandteile aufgetragen ist, die höher ist als 750⁰C und nicht mehr als 100°C von der im Betrieb auftretenden maximalen Temperatur in dieser Wand abweicht.

3. Verfahren zum Herstellen eines Heißgasmotors nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Heißgasmotor mit einem Erhitzer versehen ist, der aus einer Aneahl Rohre aufgebaut ist, die einerseits durch Verlöten mit dem Regenerator und andererseits durch Verlöten mit dem Raum mit höherer mittlerer Temperatur verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (11, 13) in einem Lötofen mit dem Regenerator (8) und dem Raum (10) mit höherer Temperatur verlötet werden wonach das Ganze abgekühlt wird, wobei beim Erreichen einer Temperatur von 900⁰C die Rohre (11, 13) mit einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak enthält, durchspült werden, wobei sich an der Innenwand der Rohre eine Siliziumnitridschicht bildet.

4. Verfahren zum Herstellen eines Heißgasmotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißgasmotor nach seiner Montage mit einem Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und Ammoniak enthält, gefüllt wird, wonach der Heißgasmotor mit Hilfe des Erhitzersystems (9 bis 15) auf die zum Auftragen der Schicht erwünschte Temperatur gebracht wird, wonach der Heißgasmotor gestartet und das Gasgemisch an den warmen Teilen entlang geführt wird, wobei sich auf diesen Teilen eine Siliziumnitridschicht bildet.

65 Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor, der einen oder mehrere Räume mit veränderlichem Volumen und höherer mittlerer Temperatur enthält, die mit einem oder mehreren Räumen mit ebenfalls veränderlichem Volumen und niedrigerer mittlerer Temperatur verbunden sind, wobei sich in jeder der Verbindungen zwischen diesen Räumen ein Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler befindet und wobei die genannten Räume und die zwischenhegenden Verbindungen mit einem im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Arbeitsmittel gefüllt sind, das durch den Renegenerator hin- und zurückfließen kann.

Heißgasmotoren der obengenannten Art sind bekannt (deutsche Patentschrift 8 19 756). In dieser Art von Heißgasmotoren hat das Arbeitsmittel einen derartigen Kreislauf, d^ß es unter dem Einfluß eines oder mehrerer kolbenförmigen Körper verd.chtet wird, wenn es sich im wesentlichen in einem Raum mit niedrigerer mittlerer Temperatur befindet. Danach fließt das Mittel über den Kühler, den Regenerator und den Erhitzer, in weichen beiden letzteren das Arbeitsmittel Wärme aufnimmt, zu einem Raum mit höherer mittlerer Temperatur, wo das Arbeitsmittel expandiert.

Als Arbeitsmittel kann dabei Luft oder Helium verwendet werden; aber besonders Wasserstoff hat durch seine niedrigen Strömungsverluste große Vorteile. Obschon dies früher bekannt war, ist Wasserstoff nicht verwendet worden, weil Wasserstoff bei höherer Temperatur sehr schnell durch die für die Wände des Motors verfügbaren Konstruktionsmaterialien hindurch diffundiert. Dies hat zur Folge, daß die Leistung des He'ßgasmotors sinkt und der verlorengegangene Wasserstoff wieder nachgefüllt werden muß. Das bedeutet, daß der Heißgasmotor sehr oft einer Wartung bedarf, was in der Praxis nicht akzeptierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgesmotor zu schaffen, in dem das Arbeitsmittel Wasserstoff ist und bei dem die Diffusion von Wasserstoff durch die heißen Wandteile auf sehr zuverlässige Weise vermieden wird.

Dazu weist der erfindungsgemäße Heißgasmotor das Kennzeichen auf, daß die im Betrieb eine hohe Temperatur aufweisenden Innenwände der genannten Räume sowie die der Verbindungen mit einer Siliziumnitridschicht bedeckt sind, wobei die betreffenden Wandteile an der Innenseite eine konkave Form haben und aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten derselben Größenordnung oder größer als der des Siliziumnitrids hergestellt sind und die Siliziumnitridschicht dadurch aufgebracht ist, daß die betreffenden Wandteile bei hoher Temperatur mit einem strömenden Gasgemisch, das Silizium in einer flüchtigen Verbindung und weiter unter anderem Ammoniak enthält, in Kontakt gebracht worden sind.

Es hat sich herausgestellt, daß eine Siliziumnitndschicht, die bei höherer Temperatur aus der Gasphase auf einer konkaven Oberfläche eines Materials mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der dem des Siliziumnitrids entspricht, bzw. größer ist als der von Siliziumnitrid, aufgebracht ist, eine sehr gute Hemmung gegen Wasserstoffdiffusion durch die betreffenden Wandteile hindurch bildet. Durch die besondere Wahl der Form, des Ausdehnungskoeffizienten und der Auftragungstemperatur wurde erreicht, daß die Siliziumnitridschicht auch nach längerer Betriebsperiode, wobei hohe und wechselnde Temperaturen