PL210889B1 - Sposób zwiększania powierzchni czynnej elementów metalowych, zwłaszcza powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210889 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 389769 (51) Int.Cl.

F28F 3/04 (2006.01) H01L 23/36 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 04.12.2009

Sposób zwiększania powierzchni czynnej elementów metalowych, zwłaszcza powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL
06.06.2011 BUP 12/11	(72) Twórca(y) wynalazku:
	BOGUSŁAW GRABAS, Kraków, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.03.2012 WUP 03/12	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Antoni Garstka

PL 210 889 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania powierzchni czynnej elementów metalowych, zwłaszcza powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali.

Radiatory i wymienniki ciepła stanowią istotny element pracy wielu urządzeń przemysłowych (np. układy elektroniczne, klimatyzatory, układy chłodzenia reaktorów jądrowych) czy domowego użytku (np. komputery osobiste, odbiorniki RTV). Odpowiednio przygotowane powierzchnie tych urządzeń odbierają ciepło od elementów pracujących i przekazują to ciepło czynnikowi chłodzącemu stykającemu się z tymi powierzchniami. Czynnik chłodzący może odbierać ciepło bez lub ze zmianą fazy.

Wraz z postępującą miniaturyzacją urządzeń przemysłowych coraz większego znaczenia nabiera problem odprowadzania dużych strumieni ciepła przez powierzchnię.

Z polskiego opisu patentowego PL 201 106 znany jest sposób zwię kszania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, który charakteryzuje się tym, że dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego powstałego w wyniku działania skoncentrowanej wiązki laserowej. Przetopienia dokonuje się strumieniem plazmy lub wiązką elektronową. Sam proces przetopienia można prowadzony jest w sposób impulsowy, pulsacyjny lub ciągły. Przetopienie prowadzone jest z wytworzeniem lica i grani przetopu lub też z wytworzeniem podcięcia lica przetopu.

Przetopienie w obecności kanalika parowego, z uwagi na specyfikę zachowania się kanalika parowego prowadzi zawsze do powstania kąpieli metalowej charakteryzującej się dużo większą głębokością w stosunku do jej szerokości i długości. Ponadto niestabilność procesów fizykochemicznych zachodzących w kąpieli metalowej i kanaliku parowym może doprowadzić do powstania struktury o mocno zróż nicowanej głębokoś ci przetopienia.

W przypadku przetapiania np. przedmiotów cienkościennych o grubościach często mniejszych od 1 mm (np. płyty przepływowe wymieniające ciepło w wymiennikach ciepła) głębokość przetopienia wymaga ścisłej kontroli, a mimo to może prowadzić do utworzenia przypadkowej, niepożądanej grani przetopu lub utraty ciągłości materiału.

Celem wynalazku jest wykorzystanie techniki przetapiania, która to technika w prosty sposób umożliwia wytworzenie na powierzchni struktur odznaczających się równocześnie zwiększoną chropowatością i powierzchnią czynną, w tym powierzchnią wymiany ciepła.

Istota sposobu, w którym dokonuje się przetopienia powierzchni elementu, według wynalazku polega na tym, że przetopienia dokonuje się w temperaturze niższej od temperatury wrzenia i jednocześnie podczas przetapiania element poddaje się wibracji.

Korzystnie, przetopienia powierzchni dokonuje się wiązką laserową lub wiązką elektronową.

Wynalazek pozwala na uzyskanie w jednej operacji kilkakrotnego zwiększenia powierzchni czynnej, w tym powierzchni wymiany ciepła. Według wynalazku można proces ten przeprowadzić w temperaturze niższej od temperatury wrzenia materiału obrabianego elementu uniemożliwiają c powstanie kanalika parowego. Proces taki nazywa się przetapianiem kondukcyjnym, bądź spawaniem kondukcyjnym, gdy łączy się metalurgicznie ze sobą materiały. Przetopy takie są stosunkowo płytkie o równomiernie rozłożonej głębokości przetopienia. W ten sposób można np. przetopić jednostronnie cienkościenne materiały bez obawy o możliwość utworzenia przypadkowej, niepożądanej grani przetopu a także utraty ciągłości materiału.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry przetopienia z wibracją, fig. 2 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica z linii A-A, z fig. 1, skanowania profilometru dla pr ę dkoś ci przesuwu wiązki 2000 mm/min i czę stotliwości wibracji 105 Hz, fig. 3 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica dla prędkości przesuwu wiązki 2600 mm/min i częstotliwości wibracji 110 Hz, fig. 4 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica dla prędkości przesuwu wiązki 2000 mm/min i częstotliwości wibracji 110 Hz, fig. 5 - powiększony fragment zarysu grzbietu lica dla prędkości przesuwu wiązki 1500 mm/min i częstotliwości wibracji 80 Hz, a fig. 6 - powię kszony fragment zarysu grzbietu lica przetopu nie poddawanego wibracji.

Fig. 1 przedstawia ideowy zarys, w rzucie z góry, przetopu wykonanego z wibracją kołową drgającego elementu w płaszczyźnie równoległej do powierzchni przetopu. Przetop taki charakteryzuje się strukturą składającą się z następujących po sobie wzniesień 1 i wgłębień 2 ułożonych w kształcie zbliżonym do łuku.

Przetop elementu ze stali OH18N9T był poddany wibracji o parametrach: częstotliwości f = 105 Hz przy amplitudzie około 3 mm. Parametry przetopu wynosiły: moc lasera 2000 W i prędkość przesuwu

PL 210 889 B1 wiązki 2000 mm/min. Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/ - 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 44,5 μm i R_a = 12,2 μm. Zarys grzbietu lica przetopu obrazuje fig. 2.

W przypadku przetopu elementu ze stali OH18N9T parametry wibracji wynosiły: częstotliwości f = 110 Hz, amplituda około 3 mm przy parametrach przetopu odpowiednio: moc lasera 2000 W i prędkości przesuwu wiązki 2600 mm/min.

Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/ - 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 31,3 μm i R_a = 7,89 μm. Zarys grzbietu lica przetopu obrazuje fig. 3.

Fig. 4 obrazuje zarys grzbietu lica przetopu elementu ze stali C45, który był poddany wibracji o parametrach: częstotliwość f = 110 Hz, amplituda około 3 mm. Parametry przetopu wynosiły: moc lasera 2000 W, prędkość przesuwu wiązki 2000 mm/min. Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/

- 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 27,2 μm i R_a = 7,15 μm.

Fig. 5 obrazuje zarys grzbietu lica przetopu elementu ze stali OH18N9T, który był poddany wibracji o parametrach: częstotliwość f = 80 Hz, amplituda około 3 mm. Parametry przetopu wynosiły: moc lasera 1500 W, prędkość przesuwu wiązki 1500 mm/min. Powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/

- 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z = 17,1 μm i R_a = 4,76 μm.

Dla porównania, na fig. 6, przedstawiono zarys lica przetopu elementu ze stali OH18N9T nie poddawanego wibracji. Parametry przetopu: moc lasera 1500 W, prędkość przesuwu wiązki laserowej 1500 mm/min. W tym przypadku powierzchnia przetopu, według PN 87 - M/ - 0425/2, charakteryzuje się chropowatością o wskaźnikach odpowiednio R_z - 11,3 μm i R_a = 3,83 μm.

We wszystkich przypadkach pomiar grzbietu lica przetopów dokonywany był przy użyciu profilometru stykowego Talysurf 4.

Przetopy poddane wibracji posiadają zdecydowanie, kilkakrotnie, wyższe parametry określające chropowatość a tym samym kilkakrotnie zwiększoną powierzchnię czynną, w tym powierzchnię wymiany ciepła.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zwiększania powierzchni czynnej elementów metalowych, zwłaszcza powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, w którym dokonuje się przetopienia powierzchni elementu, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się w temperaturze niższej od temperatury wrzenia i jednocześnie podczas przetapiania element poddaje się wibracji.
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia powierzchni dokonuje się wiązką laserową.
3. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia powierzchni dokonuje się wiązką elektronową.