DE2418889A1

DE2418889A1 - THERMALLY AND MECHANICALLY HEAT EXCHANGERS

Info

Publication number: DE2418889A1
Application number: DE19742418889
Authority: DE
Inventors: Karl Butter; Helmut Dipl Ing Dederra; Michael Dipl Ing Kaufmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1974-04-19
Publication date: 1975-11-20
Also published as: IN144883B; FR2268166B3; IT1037358B; GB1490641A; JPS50140717A; FR2268166A1

Description

Thermisch und mechanisch hochbelastbare WärmetauscherHeat exchangers that can withstand high thermal and mechanical loads

Die Erfindung betrifft thermisch und mechanisch hochbelastbare Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke, bestehend aus einer durch Galvanoformung hergestellten feuerkantenseitigen Innenwand und einer Außenwand sowie zwischen dar Innenwand und der Außenwand verlaufenden, von mindestens einem Kühlmedium, insbesondere mindestens einer TreibstoffkomponenteThe invention relates to heat exchangers that can withstand high thermal and mechanical loads, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines, consisting of a fire edge-side manufactured by electroforming Inner wall and an outer wall as well as between the inner wall and the outer wall, of at least one cooling medium, in particular at least one fuel component

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durchströrabaren Kühlkanälen, die durch gegebenenfalls mit der Innen- und/oder der Außenwand einstückige Stege voneinander getrennt sind, und ein Verfahren zur Herstellung solcher Wärmetauscher.through-flowable cooling channels, which may be through with the inner and / or the outer wall one-piece webs are separated from one another, and a method for production such heat exchanger.

Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken ist es üblich, zur Kühlung der Schubdüsen- und Brennkammerwand mindestens eine der am Brennprozeß beteiligten Treibstoffkomponenten am hinteren Ende der Schubdüse über einen ZuIaufring in innerhalb der Schubdüsen— und Brennkammerwand längsgerichtete Kühlkanäle einzuleiten und durch diese nach vorn zu führen, wo die Treibstoffkomponente-in einem Ring gesammelt und dem.Einspritzkopf der Brennkammer zugeführt wird. Ein Raketentriebwerk stellt in brennverfahrenstechnischer Hinsicht und im Hinblick auf seine Konstruktion eine komplexe Maschine dar, die zahlreichen, einander vielfach konträren Anforderungen genügen muß, die bei der Auslegung und beim Bau des Triebwerks zu einem optimalen Ganzen koordiniert werden müssen. Der Raketenbrennprozeß, der unter extremen Temperaturen abläuft, erfordert zur Erzielung eines, hohen Wirkungsgrades ein großes Druckverhältnis· Da es bis heute keinen Werkstoff bzw. kein geeignetes Metall gibt, das ungeschützt den extrem hohen Brennkammertemperaturen standhalten könnte, muß dafür Sorge getragen werden, daß die anfallende Wärmemenge sehr rasch abgeführt wird. Diese Aufgabe übernimmt das durchströmende Kühlmittel, das die mittlere Wandtemperatur der Brennkammer und Schubdüse in einem Bereich zu halten hat, in dem noch eine ausreichende Wandfestigkeit gewährleistet ist. Bei den bisher bekannten Konstruktionen wird jedoch aus technologischen und konstruktiven Gründen meist sehr bald die obere Festigkeitsgrenze in bezug auf Temperatur und Druck erreicht.In the case of liquid rocket engines, it is customary to use at least one of the am Fuel components involved in the combustion process at the rear End of the thrust nozzle via a feed ring inside the Introduce thrust nozzle and combustion chamber wall longitudinal cooling channels and lead through them to the front, where the Fuel component - collected in a ring and the injection head is fed to the combustion chamber. A rocket engine represents in terms of combustion technology and in In terms of its construction, it is a complex machine with numerous, often contradicting requirements must be sufficient, which must be coordinated in the design and construction of the engine to an optimal whole. The rocket burning process, which takes place under extreme temperatures, requires a high degree of efficiency a large pressure ratio · Since there is still no material or no suitable metal that is unprotected the extreme Could withstand high combustion chamber temperatures, care must be taken that the amount of heat generated is very high is quickly discharged. This task is taken over by the coolant flowing through, which is the mean wall temperature of the The combustion chamber and exhaust nozzle must be kept in an area in which sufficient wall strength is still guaranteed is. In the previously known constructions, however, for technological and structural reasons, is usually very soon reached the upper strength limit with regard to temperature and pressure.

So sind bei ein- oder mehrstückig aus Stahl hergestellten Brennkammern mit eingegossenen oder sonstwie eingearbeiteten Kühlkanälen und einem diese abdeckenden aufgeschweißtenIn the case of one-piece or multi-piece combustion chambers made of steel, for example, there are cast-in or otherwise incorporated combustion chambers Cooling channels and a welded one covering them

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Stahlaußenmantel (US-Patentschrift 3 154 914) einer den Wirkungsgrad des Brennprozesses steigernden Wandtemperaturerhöhung deshalb verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, weil durch den auftretenden Wärmestau eine Überhitzung dieses Werkstoffes eintritt, dessen Warmfestigkeit mit steigenden Temperaturen rasch abnimmt.Steel outer jacket (U.S. Patent 3,154,914) one of the Wall temperature increase that increases the efficiency of the firing process is therefore set relatively narrow limits because Due to the accumulation of heat that occurs, this material overheats, and its heat resistance increases with increasing Temperatures decrease rapidly.

Zur Beherrschung der sehr hohen Brennkammertemperaturen ist es ferner bereits bekannt, die Brennkammer mit Schubdüse aus einer Windung an Windung liegenden Kupferrohrschlange herzustellen und die einzelnen aneinanderliegenden Windungen durch Schweißung oder Lötung fest miteinander zu verbinden· Hierbei besteht jedoch erhebliche Gefahr, daß während des Betriebs der Brennkammer die zahlreichen, unmittelbar dem Feuer ausgesetzten Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Rohrwindungen thermisch überbeansprucht werden.To control the very high combustion chamber temperatures is It is also already known to produce the combustion chamber with a thrust nozzle from a coil of copper tubing lying one turn on one turn and to firmly connect the individual turns lying next to one another by welding or soldering However, there is a considerable risk that the numerous, directly to the during operation of the combustion chamber Fire-exposed connection points between the individual pipe windings are thermally overstressed.

Weiterhin sind durch Galvanoformen hergestellte Brennkammern bekannt, die beispielsweise wie folgt hergestellt werden: Auf einem die Innenwand des fertigen Wärmetauschers bildenden Kern aus einem gut wärmeleitenden Metall, insbesondere Kupfer, werden nach Lage und .Form den Kühlkanälen entsprechende Streifen aus einem elektrisch nicht-leitenden Maskierungsmittel, z.B. Wachs, angebracht, deren Oberseiten mit einer Leitschicht versehen werden, worauf man auf dem. so vorbereiteten Kern ein gut wärmeleitendes Metall, insbesondere Kupfer, galvanisch abscheidet (US-Patentschrift 3 022 230)· Dabei füllen sich zunächst die Kanäle zwischen den Maskierungsmittelstreifen bis die so erzeugten Stege mit der leitenden Deckschicht in Berührung kommen, worauf sich eine die Außenwand bildende geschlossene Metallschicht abscheidet. Auf diese V/eise erhält man nach dem Entfernen des Maskierungsrnittels, z.B. durch Ausschmelzen, ' Wärmetauscher, die den vorstehend geschilderten bekannten' Wärmetauschern insofern zweifellos überlegen sind, als sieFurthermore, combustion chambers made by electroforming are known, which are made, for example, as follows: On a core, which forms the inner wall of the finished heat exchanger and is made of a metal with good thermal conductivity, in particular Copper, strips of an electrically non-conductive masking agent are made from an electrically non-conductive masking agent, depending on their position and shape. e.g. wax, the tops of which are provided with a conductive layer, whereupon the. so prepared core, a metal with good thermal conductivity, in particular copper, is galvanically deposited (US patent specification 3 022 230) · First of all, the channels between the strips of masking agent fill up until the ridges created in this way come into contact with the conductive cover layer, whereupon a closed metal layer forming the outer wall is formed separates. In this way, after removing the masking agent, e.g. by melting out, 'heat exchangers, the known 'heat exchangers described above are undoubtedly superior in that they are

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keine Lot- oder Schweißverbindungsstellen aufweisen. Dafür ist jedoch die Herstellung, insbesondere der Kerne für große Wärmetauscher, sowie die Erzielung einer einwandfreien Bindung zwischen der Innenwand und den Stegen recht schwierig und nach dem derzeitigen Stand der Technik nur bei der Verwendung von Werkstoffen aus einer recht begrenzten Auswahl von Metallen überhaupt möglich·have no solder or weld joints. Therefore However, it is the production, especially the cores for large heat exchangers, as well as the achievement of a perfect bond between the inner wall and the webs quite difficult and according to the current state of the art only when using of materials from a very limited selection of metals is possible at all

Der letztgenannte Nachteil ist in noch stärkerem Ausmaß auch bei weiteren bekannten auf analoge Weise, jedoch unter Verwendung von durch Galvanoformen erzeugten Kernen bzw. Innenwänden hergestellten bekannten Wärmetauschern (US-Patentschrift 2 889 258) gegeben.The last-mentioned disadvantage is to an even greater extent also in the case of other known ones in an analogous manner, but below Use of cores or inner walls produced by electroforming known heat exchangers (US patent 2 889 258).

Auch den vorstehend geschilderten bekannten Wärmetauschern ansonsten in verschiedener Hinsicht überlegene, vollgalvanisch hergestellte bekannte Wärmetauscher mit wellenförmigen, die Kühlkanäle dreiseitig umgebenden Innenwänden, die durch galvanisches Abscheiden der Innenwand auf einem entsprechend geformten Kern, Ausfüllen der als Kühlkanäle dienenden Vertiefungen der Innenwand mit einer elektrisch leitenden Füllmasse, galvanische Abscheidung der Außenwand und Ausschmelzen oder Herauslösen der Füllmasse hergestellt werden (deutsche Patentschrift 2 015 024), sind bezüglich der nach dem Stand der Technik für die Innenwände in Betracht kommenden Werkstoffe, und insbesondere deren mechanischer und thermischer Belastbarkeit nicht voll befriedigend.Also fully electroplated, which are otherwise superior in various respects to the known heat exchangers described above manufactured known heat exchangers with wave-shaped, the cooling channels on three sides surrounding the inner walls, the by galvanic deposition of the inner wall on a correspondingly shaped core, filling of the cooling channels serving depressions in the inner wall with an electrically conductive filling compound, galvanic deposition of the outer wall and melting out or dissolving out of the filling compound are produced (German patent specification 2 015 024), are with respect to the state-of-the-art materials for the interior walls, and in particular their mechanical ones and thermal load capacity not fully satisfactory.

Schließlich sind auch durch Vorfertigen eines einstückigen Grundkörpers aus einem gut wärmeleitenden Metall, insbesondere Kupfer oder einer Kupferlegierung, mit eingearbeiteten Kühlkanälen, z.B. durch Schmieden und/oder spanabhebende Bearbeitung, Ausfüllen der Kühlkanäle mit einer elektrisch leitenden Füllmasse und galvanisches Abscheiden einer Außenwand aus einer relativ dünnen Zwischenschicht ,aus sauerstofffreiem Kupfer oder gleichwertigem MaterialFinally, by prefabricating a one-piece base body made of a metal with good thermal conductivity, in particular Copper or a copper alloy, with incorporated cooling channels, e.g. by forging and / or cutting Processing, filling of the cooling channels with an electrically conductive filling compound and galvanic deposition an outer wall made of a relatively thin intermediate layer, made of oxygen-free copper or equivalent material

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und einem auf diese aufgalvanisierten verhältnismäßig dickwandigen Druckmantel aus Nickel oder einem ähnlichen Werkstoff mit hoher Festigkeit hergestellte Wärmetauscher bekannt (deutsche Patentschrift 1 751 691)·and a relatively thick-walled one electroplated onto it Pressure jacket made of nickel or a similar material with high strength known (German patent specification 1 751 691)

Diese bekannten Brennkammern stellen gegenüber den anderen, vorstehend erörterten Brennkammern nach dem Stand der Technik mit Lot- oder Schweißverbindungen eine vorteilhafte Lösung dar. So ist bei diesen, im Gegensatz zu anderen bekannten Brennkammern, insbesondere dann, wenn die Zwischenschicht aus dem gleichen Werkstoff wie der Grundkörper besteht, überall zwischen den radial nach außen zeigenden Flächen der einzelnen Stege und der Innenseite der Zwischenschicht eine sichere Verbindung gewährleistet. Außerdem ist durch diese Maßnahme - vom Material her und über den ganzen Kühlkanalquerschnitt - eine intensive Wärmeübertragung auf das durchströmende Kühlmittel gegeben. Ferner garantiert der die Zwischenschicht absolut formschlüssig einhüllende und mit dieser an allen Punkten festhaftend verbundene Druckmantel, der aus Nickel oder einem ähnlichen Werkstoff mit hoher Festigkeit bestehen soll, eine satte Abstützung dieser Zwischenschicht und damit deren reißsichere Verbindung mit den Stegen des Grundkörpers.These known combustion chambers contrast with the other prior art combustion chambers discussed above with soldered or welded connections is an advantageous solution. This is the case with these, in contrast to other known Combustion chambers, especially if the intermediate layer consists of the same material as the base body, everywhere between the radially outward facing surfaces of the individual webs and the inside of the intermediate layer a secure connection is guaranteed. In addition, this measure - in terms of the material and the whole Cooling channel cross-section - an intensive heat transfer is given to the coolant flowing through. Also guaranteed the one that envelops the intermediate layer in an absolutely form-fitting manner and is firmly attached to it at all points Pressure jacket, which should be made of nickel or a similar material with high strength, a solid support this intermediate layer and thus its tear-proof connection with the webs of the base body.

Auch von den weiteren vorstehend geschilderten, teil- oder vollgalvanisch hergestellten, bekannten Wärmetauschern bzw. Brennkammern unterscheiden sich diese bekannten Wärmetauscher insofern vorteilhaft, als die Auswahl der nach dem Stand der Technik für den Grundkörper verwendbaren Werkstoffe größer und die Sicherstellung einer einwandfreien Bindung zwischen der Innenwand und den Stegen problemlos ist.Also of the other known heat exchangers or heat exchangers described above that are partially or fully electroplated. Combustion chambers differ from these known heat exchangers in that the selection of the after State of the art for the base body usable materials larger and ensuring a flawless Bonding between the inner wall and the webs is problem-free.

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Selbst diese in vielen Beziehungen bestens bekannten Wärmetauscher können jedoch nicht in jeder Hinsicht voll befriedigen. So läßt insbesondere die Warmfestigkeit der nach dem Stand der Technik als Grundkörpermaterial in Betracht kommenden Werkstoffe - soweit sie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzen - zu wünschen übrig. Weiterhin könnten beim Einarbeiten der Kühlkanäle, insbesondere bei großen Grundkörpern, nur mit einem in der Praxis nicht mehr vertretbaren Aufwand Fertigungstoleranzen eingehalten werden, die es ermöglichen würden, bei der Sollstärkenbemessung der Innenwände an die unterste mit Rücksicht auf die Materialeigenschaften noch vertretbar erscheinende Grenze zu gehen, und zwar insbesondere dann, wenn diese unter etwa 1 mm liegt.Even these heat exchangers, which are well known in many respects however, cannot fully satisfy in every respect. In particular, the heat resistance of the after State of the art materials that can be considered as base body material - provided they have sufficient thermal conductivity own - much to be desired. Furthermore, when incorporating the cooling channels, especially in the case of large Base bodies, manufacturing tolerances can only be adhered to with an effort that is no longer justifiable in practice, which would make it possible, when dimensioning the nominal thickness of the inner walls, to the lowest with regard to the material properties to go beyond what seems justifiable, especially if it falls below about 1 mm.

Da Wärmetauscher der hier in Rede stehenden Art, insbesondere also Raketenbrennkammern, thermisch und mechanisch extrem hoch belastet sind, weil Wärmemengen von etwa 1000.calBecause heat exchangers of the type in question here, in particular rocket combustion chambers, are thermal and mechanical are extremely heavily loaded because heat amounts of about 1000 cal

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und mehr pro cm feuerkantenseitiger Innenwandoberfläche und Sekunde abgeführt und auf das Kühlmittel übertragen werden müssen und zudem einerseits sowohl Menge als auch Temperatur des in der Regel als Kühlmittel allein zur Verfügung stehenden Treibstoffs vorgegebene Größen sind und andererseits mit Rücksicht auf eine auf das Gewicht und den Platzbedarf bezogene hohe spezifische Nutzleistung des Triebwerks verschiedene an sich gegebene konstruktive Kunstgriffe zur Steigerung der pro Zeiteinheit auf das Kühlmittel übertragenen Gesamtwärmemenge nicht oder nur sehr beschränkt angewandt werden können, besteht ein Bedarf an Wärmetauschern mit verbesserter Leistung, bei denen die Möglichkeiten zur Erzielung einer möglichst hohen gewichts- und raumspezifischen Wärmeabfuhrleistung optimal und besser als bei den bisher bekannten Wärmetauschern genutzt sind.2
and more per cm of fire edge-side inner wall surface and second must be removed and transferred to the coolant and, on the one hand, both the amount and temperature of the fuel, which is usually available as coolant alone, are predetermined parameters and, on the other hand, with regard to weight and space requirements related high specific net power of the engine, various inherent constructive tricks to increase the total amount of heat transferred to the coolant per unit of time cannot be used or can only be used to a very limited extent, there is a need for heat exchangers with improved performance in which the possibility of achieving the highest possible weight - and room-specific heat dissipation performance are optimally and better used than with the previously known heat exchangers.

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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, derartige Wärmetauscher zu schaffen, die zudem bezüglich mechanischer Schaden zumindest ebenso betriebssicher wie die diesbezüglich bestens bekannten Wärmetauscher und außerdem mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellbar sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen·The invention was therefore based on the object of creating such heat exchangers, which also with regard to mechanical Damage is at least as reliable as the well-known heat exchangers in this regard, and also relatively Can be produced with little effort, and a method for producing such heat exchangers is available to deliver·

Der kritische Punkt bei derartigen Wärmetauschern ist bekanntlich der Wärmefluß von den Kühlkanalwänden in das Kühlmittel, für dessen Optimierung im wesentlichen nur zwei Maßnahmen, nämlich eine jeweils größtmögliche Steigerung der Temperaturdifferenz sowie der Wärmeübergangszahl zwischen den Kühlkanalwänden und dem Kühlmittel verbleiben, nachdem davon auszugehen ist, daß die hinsichtlich einer Verbesserung der Kühlkanalgeometrie bestehenden Möglichkeiten bereits heute weitestgehend erschöpfend genutzt sind·The critical point in such heat exchangers is known to be the heat flow from the cooling duct walls into the Coolant, for its optimization essentially only two measures, namely the greatest possible increase in each case the temperature difference and the heat transfer coefficient between the cooling duct walls and the coolant remain, after it can be assumed that the existing possibilities with regard to improving the cooling channel geometry are already used extensively today

Da die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Wärmetauscher sowie die pro Zeiteinheit zur Verfügung stehende Kühlmittelmenge und damit - bei Aufnahme einer bestimmten Wärmemenge und gegebenem Kühlmittel - auch dessen Temperatur beim Austritt aus dem Wärmetauscher vorgegebene bzw. nicht frei wählbare Größen sind, kann eine Steigerung der Temperaturdifferenz zwischen den Kühlkanalwänden und dem durch die Kühlkanäle fließenden Kühlmittel nur durch eine Erhöhung der Kühlkanalwandtemperaturen erreicht werden. Diese läßt sich ihrerseits grundsätzlich in nennenswertem Ausmaß durchAs the temperature of the coolant entering the heat exchanger as well as the amount of coolant available per unit of time and thus - when recording a certain amount Amount of heat and given coolant - also its temperature when it exits the heat exchanger, which is given or not are freely selectable sizes, an increase in the temperature difference can occur between the cooling channel walls and the coolant flowing through the cooling channels only by an increase the cooling duct wall temperatures can be achieved. This leaves for their part in principle to a noteworthy extent

a) Erhöhung der Innenwandtemperatur an der feuerkantenseitigen Wandflache,a) Increase in the inner wall temperature on the fire edge side wall surface,

b) Verwendung eines Innenwandmaterials mit verbesserter Wärmeleitfähigkeitb) Use of an inner wall material with improved Thermal conductivity

und/oderand or

c) Verringerung der Innenwandstärkec) Reduction of the inner wall thickness

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erreichen, wobei die beiden letztgenannten Maßnahmen' zu einer Verminderung der Differenz zwischen der feuerkanten- und der kühlkanalseitigen Innenwandtemperatur führen, die bei Wärmeflußwerten der hier in Rede stehenden Größe ein beträchtliches Ausmaß erreichen kann.achieve, with the latter two measures' to lead to a reduction in the difference between the fire edge and the cooling channel-side inner wall temperature, which at heat flow values of the size in question here can reach a considerable extent.

Eine Verbesserung, des Wärmeübergangskoeffizienten für den Wärmeübergang von den Kühlkanalwänden auf das Kühlmittel läßt sich bei gegebener Kühlkanalgeometrie, gegebenem Kühl— kanalwandmaterial und gegebenem Kühlmittel grundsätzlich nur durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erreichen, die jedoch nicht nur zu einer erwünschten, weil die Dicke der laminaren Grenzschicht verringernden Steigerung der Turbulenz des Kühlmittels führt, sondern zwangsläufig auch zu einer Erhöhung des Kühlmitteldrucks und damit der mechanischen Beanspruchung des Wärmetauschers, insbesondere der von der Innen- und der Außenwand gebildeten Kühlkanalwände, die verstärkt auf Druck und Biegung beansprucht werden, und der Stege, die verstärkt auf Zug beansprucht werden·An improvement in the heat transfer coefficient for the Heat transfer from the cooling duct walls to the coolant can be achieved with a given cooling duct geometry and a given cooling channel wall material and the given coolant basically only by increasing the flow rate of the Achieve coolant, but not only to a desirable because the thickness of the laminar boundary layer reducing An increase in the turbulence of the coolant leads, but inevitably also to an increase in the coolant pressure and thus the mechanical stress on the heat exchanger, in particular that of the inner and outer walls formed cooling channel walls, which are increasingly stressed on pressure and bending, and the webs, which are reinforced Tensile stress

Hinzu kommt als wohl wesentlichster Gesichtspunkt, daß der Druckabfall in den Kühlkanalwanden so gering wie möglich gehalten werden muß, weil die zu seiner Überwindung erforderliche Pumpleistung die Nutzleistung des jeweiligen Raketentriebwerks wesentlich beeinträchtigt·In addition, there is probably the most important aspect that the pressure drop in the cooling duct walls is as low as possible must be maintained because the pump power required to overcome it, the useful power of the respective rocket engine significantly impaired

Da bei den bekannten Wärmetauschern der vorstehend geschilderten Art mit bereits an der Grenze des vertretbaren Druckabfalls liegenden KühlmittelStrömungsgeschwindigkeiten gearbeitet wurde, war der Versuch, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Phasengrenze Kühlkanalwand/ Kühlmittel zu lösen, scheinbar ebenso aussichtslos wie der Versuch, eine Btjsung der der Erfindung zugrundeliegendeSince in the known heat exchangers of the type described above with already at the limit of the acceptable pressure drop lying coolant flow velocities was worked, the attempt was that of the invention Task by improving the heat transfer coefficient at the phase boundary cooling duct wall / To dissolve coolant, apparently just as futile as the attempt to solve the problem on which the invention is based

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Aufgabe durch Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und den Kühlkanalwänden zu erreichen, dem Fachmann aus folgenden Gründen als praktisch nicht realisierbar erscheinen mußte:To achieve the task by increasing the temperature difference between the coolant and the cooling channel walls, the expert had to appear to be practically impossible for the following reasons:

1) Eine Erhöhung der kühlkanalseitigen Wandtemperatur der Innenwand über die derzeit üblichen Werte hinaus durch Erhöhen der feuerkantenseitigen Innenwandtemperatur führt zwangsläufig zu einer Verringerung der Zugfestigkeit und insbesondere der Streckgrenze (G¹Q ₂^ ^des Innenwandmaterials, die bei allen nach dem Stand der Technik als Innenwandmaterial in Betracht kommenden Werkstoffen so stark ist, daß der dadurch zu erzielende Effekt durch die als Folge mit Rücksicht auf die mechanische Sicherheit erforderliche Erhöhung der Innenwanddicke und/oder Verwendung von Werkstoffen mit besserer Warmfestigkeit aber geringerer Wärmeleitfähigkeit zumindest ausgeglichen und in der Regel sogar überkompensiert würde·1) An increase in the cooling channel-side wall temperature of the inner wall beyond the currently usual values by increasing the fire edge-side inner wall temperature inevitably leads to a reduction in the tensile strength and in particular the yield point (G ¹ Q ₂ ^ of ^the inner wall material, which is used in all of the prior art as the inner wall material The materials in question are so strong that the effect to be achieved through the increase in the inner wall thickness required as a consequence with regard to mechanical safety and / or the use of materials with better heat resistance but lower thermal conductivity would at least be compensated for and, as a rule, even overcompensated

2) Eine Steigerung der kühlkanalseitigen Innenwandtemperatur durch die Verwendung von Werkstoffen mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit erscheint deswegen nicht möglich, weil bei den bislang für diesen Zweck in Betracht gezogenen Werkstoffen die Warmfestigkeitseigenschaften umso schlechter sind, je besser ihre Wärmeleitfähigkeit ist, so daß ein Gewinn an Wärmeleitfähigkeit mit Rücksicht auf die mechanische Sicherheit durch niedrigere feuerkantenseitige Innenwandtemperaturen und/oder eine Erhöhung der Innenwandstärken erkauft werden müßte, wodurch wiederum der auf diese Weise zu erzielende Effekt ebenfalls zumindest ausgeglichen würde·2) An increase in the inner wall temperature on the cooling channel side through the use of materials with a particularly high Thermal conductivity does not appear to be possible because of those previously considered for this purpose Materials whose heat resistance properties are worse, the better their thermal conductivity is, so that a gain in thermal conductivity with regard to mechanical safety through lower Inner wall temperatures on the fire edge side and / or an increase in the inner wall thickness would have to be bought, as a result of which again the effect to be achieved in this way would also at least be compensated

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3) Auch eine Verringerung der Innenwandstärken über das bisher übliche Maß hinaus ist scheinbar wenig erfolgversprechend, da mit Rücksicht auf die mechanische Sicherheit zum Ausgleich die feuerkantenseitigen Innenwandtemperaturen gesenkt und/oder Werkstoffe mit höherer Warmfestigkeit verwendet werden müßten, was deswegen sinnlos wäre, weil - wie bereits erwähnt - bei den bislang für diesen Zweck in Betracht gezogenen Werkstoffen die Wärmeleitfähigkeit in der Regel umgekehrt proportional der Warmfestigkeit ist. Hinzu kommt, daß gerade diejenigen nach dem Stand der Technik als Innenwandmaterial in Frage kommenden Werkstoffe, die aufgrund ihrer Warmfestigkeitseigenschaften und Wärmeleitfähigkeit eine nennenswerte Steigerung der bislang üblichen kühlkanalseitigen Innenwandtemperaturen theoretisch ermöglichen würden, nicht durch Galvanoformung, sondern nur durch Fertigungsmethoden zu Innenwänden bzw. Grundkörpern für Wärmetauscher der hier in Rede stehenden Art verarbeitet werden können, bei denen die Fertigungstoleranzen ohne unvertretbaren Aufwand so hoch sind, daß die Innenwände mit Sollstärken gefertigt werden müssen, die erheblich über den aufgrund der Materialeigenschaften theoretisch möglichen Mindestwerten liegen.3) A reduction in the inner wall thickness beyond what was previously the norm is apparently not very promising, as the internal wall temperatures on the fire edge side to compensate for the mechanical safety lowered and / or materials with higher heat resistance would have to be used, which is why would be pointless because - as already mentioned - with the materials previously considered for this purpose the thermal conductivity is usually inversely proportional to the high temperature strength. In addition, it is precisely those materials that are suitable as interior wall materials according to the state of the art, which due to their high-temperature strength properties and thermal conductivity, a noticeable increase in would theoretically enable the inner wall temperatures that have been customary on the cooling channel side, not by electroforming, but only through manufacturing methods for inner walls or base bodies for heat exchangers of the here in The type in question can be processed in which the manufacturing tolerances without unreasonable effort are high that the inner walls must be made with nominal thicknesses that are significantly above the due to Material properties are theoretically possible minimum values.

Es wurde nun gefunden, daß sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe überraschenderweise durch eine Erhöhung der kühlkanalseitigen Innenwandtemperatur über die bislang üblichen Werte hinaus lösen läßt, wenn man statt eines der bislang von der Fachwelt als für diesen Zweck allein in Frage kommend gehaltenen Werkstoffe als Material für die Innenwand ein galvanisch abscheidbares dispersionsgehärtetes Metall, insbesondere galvanisches, dispersionsgehärtetes Kupfer, verwendet, da diese Werkstoffe in der Regel eine wesentlich höhere Zugfestigkeit und insbesondereIt has now been found that the invention on which the invention is based Surprisingly, task by increasing the inner wall temperature on the cooling channel side above the previous one can be solved beyond the usual values, if instead of one of those previously considered by the professional world for this purpose alone in The question of materials held as the material for the inner wall is a dispersion-hardened material that can be electrodeposited Metal, especially galvanic, dispersion-hardened copper, is used because these materials are usually used a much higher tensile strength and in particular

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Streckgrenze bei höheren Temperaturen bis knapp unter dem Schmelzpunkt besitzen als die entsprechenden Grundmetalle oder deren Legierungen und trotzdem eine nur geringfügig geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die Matrixoder Grundmetalle.Yield strength at higher temperatures to just below the Melting point than the corresponding base metals or their alloys and yet only slightly have lower thermal conductivity than the matrix or base metals.

Die Verwendbarkeit dispersionsgeharteter Metalle für den erfindungsgemäßen Zweck ist trotz ihrer vorstehenden, für diesen Zweck günstigen Eigenschaften als überraschend anzusehen, da die höhere Warmstreckgrenze dispersionsgeharteter Metalle mit einer erheblichen Verringerung der Bruchdehnung, d.h. einer Versprödung erkauft werden muß, so daß diese an sich bekannten Werkstoffe dem Fachmann für einen stark gekerbten Baukörper, der im Betrieb Vibrationen ausgesetzt ist, also z.B. eine Raketenbrennkammer, ungeeignet erscheinen mußten. Überraschenderweise scheint aber die Versprödung in diesem Anwendungsfall nicht die im Apparatebau bekannte Versagensursache zu sein·The utility of dispersion-hardened metals for the purpose of the invention is, in spite of their above, for Properties favorable to this purpose are to be regarded as surprising, since the higher hot yield strength is more dispersion-hardened Metals with a considerable reduction in elongation at break, i.e. embrittlement, must be bought, so that these materials, which are known per se, are unsuitable for a person skilled in the art for a heavily notched structure that is exposed to vibrations during operation, e.g. a rocket combustion chamber had to appear. Surprisingly, however, the embrittlement in this application does not appear to be that in apparatus construction to be a known cause of failure

Gegenstand der Erfindung sind somit Wärmetauscher der eingangs bezeichneten Art, die dadurch gekennzeichnet sind, daß zumindest die Innenwand aus einem gut wärmeleitenden, dispersionsgehärteten Metall besteht·The subject of the invention are thus heat exchangers of the type indicated at the outset, which are characterized in that at least the inner wall is made of a highly thermally conductive, dispersion-hardened metal

Die Überlegenheit erfindungsgemäßer gegenüber bekannten Wärmetauschern ähnlicher Bauart zeigt folgendes Rechenbeispiel: The following calculation example shows the superiority of heat exchangers according to the invention over known heat exchangers of a similar design:

Eine herkömmliche Brennkammer, z.B. eine Brennkammer der aus der deutschen Patentschrift 1 751 691 bekannten Art habe eine 1 mm starke Innenwand aus einer CuAgZr-Legierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,73 cal/m * see. . ⁰C "-und einer zulässigen Festigkeit von 5 kp/ram bei 500⁰C und werde mit einer feuerkantenseitigen Innenwandternperatur von 500⁰C bei einem Wärmefluß von 1000 cal/cm² see. gefahren. Die kühlkanalseitige Innenwandtemperatur beträgt dann 363°C,A conventional combustion chamber, for example a combustion chamber of the type known from German patent specification 1,751,691, has a 1 mm thick inner wall made of a CuAgZr alloy with a thermal conductivity of 0.73 cal / m * see. . ⁰ C "- and a permissible strength of 5 kp / ram at 500 ⁰ C and will run with a fire edge-side inner wall temperature of 500 ⁰ C with a heat flow of 1000 cal / cm ² sec. The cooling channel-side inner wall temperature is then 363 ° C,

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Ersetzt man bei dieser Brennkammer die Innenwand entsprechend der Lehre der Erfindung durch eine bei gleicher Sicherheit gegen Biegung und Kriechen bei 600⁰C möglichst dünnwandige Innenwand aus Dispersions-Kupfer mit einer zulässigen Festigkeit von 15 kp/mm²bei 600⁰C und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,6 cal/cm . see· . C, so ergibt sich eine Innenwandstärke von 0,6 mm und bei einer feuerkantenseitigen Innenwandtemperatur von 600⁰C eine kühlkanalkantenseitige Innenwandtemperatur von 500 C, die es bei gleicher Kühlkanalgeometrie und gleichem Kühlmittel ermöglicht, den Wärmefluß von 1000 cal/cm see· mit nur 66 % der hierfür bei der Brennkammer nach dem Stand der Technik erforderlichen Kühlmittelmenge abzuführen oder, anders gesagt, den Druckverlust im Kühlsystem auf 43 % zu verringern.If the inner wall of this combustion chamber is replaced according to the teaching of the invention by an inner wall made of dispersion copper which is as thin as possible ^{with the same security against bending and creeping at 600 °} ^{C. with a permissible strength of 15 kp / mm 2} at 600 ^° C. and a thermal conductivity of 0.6 cal / cm. see ·. C, this results in an inner wall thickness of 0.6 mm and at a fire edge side inner wall temperature of 600 ⁰ C a cooling channel edge side inner wall temperature of 500 C, which makes it possible at the same cooling channel geometry and the same coolant, the heat flux of 1000 cal / cm see · with only 66 % of the amount of coolant required for this in the combustion chamber according to the state of the art, or, in other words, to reduce the pressure loss in the cooling system to 43%.

Dieser Vorteil läßt sich allerdings nur dann realisieren, wenn die Innenwand mit einer minimalen Fertigungstoleranz genau mit der zulässigen Mindestwandstärke von 0,6 mm gefertigt wird, was ausgehend von Schmiedeblöcken nur unter Einsatz teurer Maschinen und Anwendung aufwendiger Steuertechniken, bei der erfindungsgemäßen Fertigung der Innenwand durch Galvanoforraung dagegen ohne großen Aufwand möglich ist.However, this advantage can only be realized if the inner wall has a minimal manufacturing tolerance is manufactured exactly with the permissible minimum wall thickness of 0.6 mm, which is based on forged blocks only under Use of expensive machines and application of complex control techniques in the production of the inner wall according to the invention by electroplating, on the other hand, is possible without great effort.

Die Lehre der Erfindung ist daher insbesondere bei Wärme- · tauschern mit weniger als 1 ram starken Innenwänden von Vorteil.The teaching of the invention is therefore particularly applicable to heat exchangers with inner walls less than 1 ram thick Advantage.

Als Innenwandmaterial wird erfindungsgemäß vorzugsweise dispersionsgehärtetes, galvanisch abgeschiedenes Kupfer verwendet, weil es außer allen Anforderungen genügenden mechanischen Güteeigenschaften eine im Vergleich zu anderen dispersionsgehärteten Metallen besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.According to the invention, dispersion-hardened, electrodeposited copper is preferably used as the inner wall material is used because, in addition to all requirements, it has sufficient mechanical quality properties compared to others Dispersion-hardened metals have particularly good thermal conductivity.

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Der mit einem bestimmten Volumenprozentsatz eines Dispersoids zu erzielende Härtungseffekt hängt von der Durchschnittskorngröße des Dispersoids ab, weshalb erfindungsgemäß als Innenwandwerkstoffe dispersionsgehärtete Metalle bevorzugt sind, die ein Dispersoid mit einer im wirkungsvollsten Durchschnittskorngrößenbereich von etwa 0,01 bis 15 und insbesondere etwa 0,1 bis 10 ^um liegenden Durchschnittskorngröße enthalten. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Innenwandwerkstoffe ist darin zu sehen, daß - im Gegensatz zu auf andere Weise gehärteten Metallen und Legierungen - nicht nur ihre Zugfestigkeit, sondern auch ihre Streckgrenze beim Erhitzen auf bis knapp unter dem Schmelzpunkt liegende Temperaturen nur verhältnismäßig geringfügig abfällt, zumal die dadurch bedingte verhältnismäßig geringe Duktilität, wie gesagt, entgegen den Erwartungen bei den Wärmetauschern der Erfindung eher einen Vorteil und die Warmverformbarkeit beim Einsatz für die Zwecke der Erfindung keinen ins Gewicht fallenden Nachteil darstellt, da diese Werkstoffe erfindungsgemäß ohnehin durch Galvanoformung verarbeitet werden.The hardening effect that can be achieved with a given volume percentage of a dispersoid depends on the average grain size of the dispersoid, which is why according to the invention dispersion-hardened metals as inner wall materials preferred are those which are a dispersoid having a most effective average grain size range of from about 0.01 to 15 and in particular about 0.1 to 10 ^ um lying average grain size contain. A particular advantage of the inner wall materials used according to the invention is therein to see that - in contrast to metals and alloys hardened in other ways - not only their tensile strength, but also their yield point when heated to temperatures just below the melting point only proportionally drops slightly, especially since the relatively low ductility caused by it, as I said, is contrary the expectations in the heat exchangers of the invention rather an advantage and the hot formability when used for the purposes of the invention does not represent a significant disadvantage, since these materials according to the invention anyway processed by electroforming.

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft dispersionsgehärteter Metalle, daß nämlich ihre Rekristallisationstemperaturen meist erheblich höher liegen als diejenigen der jeweiligen Grund- oder Matrixmetalle, wirkt sich vor allem bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft aus, bei der zumindest die Innenwand während des Aufwachsens kugelgestrahlt und dadurch zusätzlich kaltverformung sgehärtet wird, weil durch die hohen Rekristallisationstemperaturen die auf diese Weise erzielte Kaltverformung shärtung auch bei extrem hohen Innenwandtemperaturen weitestgehend erhalten bleibt.Another remarkable property of dispersion-hardened metals is that their recrystallization temperatures are usually considerably higher than those of the respective base or matrix metals, affects especially one Another preferred embodiment of the invention is advantageous in which at least the inner wall during growing shot-peened and thereby additionally cold-hardened because of the high recrystallization temperatures the cold deformation achieved in this way hardening even at extremely high inner wall temperatures is largely preserved.

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Kugelstrahlen während der galvanischen Abscheidung von Dispersionsschichten hat außerdem den Vorteil, daß dadurch Schwierigkeiten, die bei der Herstellung gerade derjenigen dispersionsgehärteten Metalle durch Galvanoformung auftreten, die wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet sind, praktisch restlos ausgeschlossen werden.Shot peening during the electrodeposition of dispersion layers also has the advantage that this creates difficulties in the production of just those Dispersion-hardened metals occur by electroforming, which because of their high thermal conductivity for the Purposes of the invention are particularly suitable, are practically completely excluded.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß es auch bei der Herstellung anderer Teile erfindungsgemäßer Wärmetauscher als der Innenwände durch Galvanoformung von Vorteil ist, die Galvanoformungsschicht laufend oder periodisch einer KugelStrahlungsbehandlung zu unterwerfen, und zwar auch dann _t wenn keine dispersionsgehärteten Metalle abgeschieden werden, weil durch das Kugelstrahlen einerseits eine Kaltverformungshärtung und andererseits auch bei großen Schichtdicken und ohne Glanzmittelzusätze im galvanischen Bad Galvanoformungsschichten mit einem feinkörnigen und homogenen Gefüge erzielt werden. Wegen der starken Abbremsung des Strahlgutes durch das Bad empfiehlt es sich, das Kugelstrahlen außerhalb des Bades durchzuführen, z.B. insbesondere bei rotationssymmetrischen Werkstücken so, daß man das Werkstück oder Substrat, auf dem eine Galvanoformungsschicht abgeschieden werden soll, so drehbar im Badbehälter anordnet, daß bei einer vollen Umdrehung jeder Teil der zu beschichtenden Fläche einmal über dem Badflüssigkeitsspiegel liegt, und die jeweils über dem Elektrolytspiegel liegenden Werkstückflächen kugelstrahlt.It should be noted in this regard that it is also in the production of other parts of inventive heat exchanger than the inner walls by electroforming advantageous to subject the Galvanoformungsschicht continuously or periodically a shot peening treatment, even then _t if no dispersion strengthened metals are deposited because by shot peening, on the one hand, a cold deformation hardening and, on the other hand, electroformed layers with a fine-grained and homogeneous structure can be achieved in the electroplating bath, even with large layer thicknesses and without the addition of brighteners. Because of the strong deceleration of the blasting material by the bath, it is advisable to carry out the shot peening outside the bath, e.g. especially with rotationally symmetrical workpieces, so that the workpiece or substrate on which an electroforming layer is to be deposited is rotatably arranged in the bath container that at of a full revolution, each part of the surface to be coated lies once above the bath liquid level, and the workpiece surfaces located above the electrolyte level are shot peened.

Als dispersionsgehärtete galvanisch abgeschiedene Metalle sind für die Zwecke der Erfindung insbesondere diejenigen geeignet, die als Dispersoid mindestens ein vorzugsweise möglichst hochschmelzendes und im Matrixmetall möglichst schlecht fest lösliches Salz, Oxyd, Carbid, Borid, Silicid und/oder Nitrid des Titans, Wolframs, Zirkons, Aluminiums,As dispersion-hardened electrodeposited metals for the purposes of the invention are in particular those suitable, the at least one preferably high-melting point and preferably in the matrix metal as a dispersoid poorly soluble salt, oxide, carbide, boride, silicide and / or nitride of titanium, tungsten, zirconium, aluminum,

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Siliciums, Hafniums, Bors, Chroms, Molybdäns und/oder eines Erdalkali- oder seltenen Erdmetalls und/oder Chrom, Wolfram, Titan, Zirkon und/oder Kohlenstoff und/oder eine harte intermetallische Verbindung enthalten. Beispiele bevorzugter Dispersoide sind Aluminiumoxyd, Bornitrid, Titancarbid, Kohlenstoff, Wolfram und Siliciumdioxyd.Silicon, hafnium, boron, chromium, molybdenum and / or an alkaline earth or rare earth metal and / or chromium, tungsten, Contain titanium, zirconium and / or carbon and / or a hard intermetallic compound. Examples of preferred dispersoids are aluminum oxide, boron nitride, titanium carbide, carbon, tungsten and silicon dioxide.

Besonders geeignete Dispersoide sind sogenannte Whiskers, und zwar insbesondere dann, wenn sie mittels Kugelstrahlen in die sich aufbauende Galvanoformungsschicht eingebaut werden·Particularly suitable dispersoids are so-called whiskers, in particular when they are shot by means of shot peening be built into the electroforming layer that is being built up

V/egen der guten Festigkeit der Verbindung zwischen der Innenwand und den Stegen sind erfindungsgemäße Wärmetauscher besonders bevorzugt, bei denen die Innenwand mit den Stegen einstückig ausgebildet ist. Solche Wärmetauscher kann man beispielsweise erhalten, wenn man in der aus den US-Patentschriften 2 889 258 bzw. 3 022 230 an sich bekannten Weise die Stege auf der Innenwand oder umgekehrt die Innenwand auf analog einer der aus den genannten US-Patentschriften oder der deutschen Patentschrift 1 751 691 bekannten Arbeitsweisen vorgefertigten Grundkörpern aus Außenwand und Stegen mit einer elektrisch leitenden oder zumindest mit einer leitenden Deckschicht versehenen Füllmasse ausgefüllten Kühlkanälen galvanisch abscheidet. Besonders zweckmäßig sind dabei Stege aus einem dispersionsgehärteten Metall·Because of the good strength of the connection between the Inner wall and the webs are particularly preferred according to the invention, in which the inner wall with the webs is formed in one piece. Such heat exchangers can be obtained, for example, when one learns from the US patents 2 889 258 or 3 022 230, the bars on the inner wall, or vice versa, the inner wall, in a manner known per se in a manner analogous to one of the working methods known from the aforementioned US patents or German patent specification 1,751,691 prefabricated basic bodies made of outer wall and webs with an electrically conductive or at least one conductive cover layer provided filling compound filled cooling channels galvanically deposited. Particularly useful are bars made of a dispersion-hardened metal

Von Vorteil ist es weiterhin auch, wenn die Außenwand mit den Stegen einstückig ausgebildet ist. Vorteile ergeben sich auch dann, wenn die Außenwand aus einem dispersionsgehärteten Metall besteht.It is also advantageous if the outer wall is formed in one piece with the webs. Result in advantages even if the outer wall consists of a dispersion-hardened metal.

Besonders zweckmäßig sind analog den aus der deutschen Patentschrift 2 015 024 bekannten Wärmetauschern ausgebildete erfindungsgemäße Wärmetauscher mit wellenförmigen bzw. im Querschnitt girlandenartig geformten Innenwänden·Those from the German patent specification are particularly useful 2 015 024 known heat exchangers trained heat exchangers according to the invention with wave-shaped or im Cross-section of garland-like shaped inner walls

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Insbesondere dann, wenn die Innen- und/oder Außenwand aus einem anderen Material als die Stege besteht bzw. bestehen, kann es zweckmäßig sein, zwischen der Innen- und/oder der Außenwand einerseits und den Stegen andererseits eine verhältnismäßig dünnwandige, eine ausreichend feste Verbindung gewährleistende und auch die Kühlkanäle überdeckende Zwischenschicht aus einem galvanisch abgeschiedenen Metall vorzusehen·Especially when the inner and / or outer wall is made a different material than the webs exists or exist, it may be useful between the inner and / or the Outer wall on the one hand and the webs on the other hand a relatively thin-walled intermediate layer that ensures a sufficiently strong connection and also covers the cooling channels to be made of an electrodeposited metal

Mit Hilfe solcher Zwischenschichten sowie gegebenenfalls Korrosionsschutzschichten aus bestimmten korrosionsbeständigen Metallen läßt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Problem lösen, das bei den erfindungsgemäßen, zumindest teilweise galvanisch hergestellten ebenso wie bei den weiter oben geschilderten, z.B. den aus der deutschen Patentschrift 1 751 691 bekannten Wärmetauschern besteht und im wesentlichen darauf beruht, daß die Werkstoffauswahl naturgemäß in erster Linie unter Berücksichtigung der Wärmetransport- und Festigkeitseigenschaften des Materials sowie der fertigungstechnischen Gegebenheiten getroffen werden muß und dabei die Wärmetauscher zumindest teilweise aus Metallen gefertigt werden müssen, die gegen die Treibstoffe und insbesondere die Oxydatoren der derzeit bekannten lagerungsfähigen Flüssigkeitsraketentreibstoffsysteme nicht ausreichend beständig sind. So weisen beispielsweise die Brennkammern gemäß der deutschen Patentschrift 1 751 691 gegenüber anderen bekannten Brennkammern außer zahlreichen vorteilhaften auch eine nachteilige Eigenschaft auf, .daß nämlich die für den Grundkörper und die Zwischenschicht verwendbaren Werkstoffe nur eine verhältnismäßig geringe Korrosionsbeständigkeit besitzen. Das gleiche gilt grundsätzlich auch für die Wärmetauscher der Erfindung, weil sich die Korrosionsbeständigkeit von Metallen beim Dispersionshärten in der Regel nicht nennenswert verbessern läßt. Durch die verhältnismäßig geringe Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe für die Wärmetauscher der With the help of such intermediate layers and, if necessary, anti-corrosive layers made of certain corrosion-resistant metals, a problem can be solved according to a preferred embodiment of the invention, which is the case with the at least partially galvanically produced according to the invention as well as with those described above, e.g. those known from German Patent 1,751,691 Heat exchangers consists and is essentially based on the fact that the material selection must naturally primarily be made taking into account the heat transport and strength properties of the material as well as the manufacturing conditions and the heat exchangers must be made at least partially from metals that are resistant to the fuels and especially the Oxidators of the currently known storable liquid rocket propellant systems are not sufficiently stable. For example, the combustion chambers according to German patent specification 1,751,691 have, in addition to numerous advantageous ones, a disadvantageous property compared to other known combustion chambers, namely that the materials that can be used for the base body and the intermediate layer have only a relatively low corrosion resistance. The same also applies in principle to the heat exchangers of the invention, because the corrosion resistance of metals cannot as a rule be appreciably improved during dispersion hardening. Due to the relatively low corrosion resistance of the materials for the heat exchanger of the

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Erfindung wird zwar ihre Brauchbarkeit in mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Flüssigkeitsraketentriebwerken nicht im geringsten beeinträchtigt, ihr Einsatz in mit sogenannten lagerungsfähigen flüssigen Treibstoffen betriebenen Raketentriebwerken wegen der starken Korrosivität der dabei verwendeten Oxydatoren, wie rote rauchende Salpetersäure und N₂^A* aber unmöglich·Invention, its usefulness in liquid rocket engines operated with cryogenic fuels is not impaired in the slightest, but its use in rocket engines operated with so-called storable liquid fuels _{is impossible because of the strong corrosiveness of the oxidizers used, such as red fuming nitric acid and N 2} ^ A *

Da mit lagerungsbeständigen flüssigen Treibstoffen betriebene Raketen wegen ihrer schnellen Einsatzbereitschaft mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Flüssigkeitsraketen auf allen Anwendungsgebieten, bei denen der StartZeitpunkt im Regelfall nicht längere Zeit im voraus festgelegt werden kann, grundsätzlich überlegen sind, wäre es natürlich außerordentlich vorteilhaft, wenn die Wärmetauscher der Erfindung so weiter ausgestaltet werden könnten, daß sie gegenüber bekannten Brennkammern nicht nur die vorstehend erläuterten vorteilhaften Eigenschaften von Brennkammern dieses Typs in vollem Ausmaß, sondern darüber hinaus auch Kühlkanäle besitzen, die gegen alle bekannten Oxydatoren flüssiger lagerungsfähiger Raketentreibstoffsysteme korrosionsbeständig und damit auch in Flüssigkeitsraketentriebwerken für lagerungsbeständige Treibstoffe einsetzbar sind· Die Angabe "korrosionsbeständig" wird nachfolgend stets in dem vorstehend definierten Sinn gebraucht·Since rockets operated with storage-stable liquid fuels because of their rapid readiness for use with liquid rockets operated by cryogenic fuels in all areas of application for which the start time is in As a rule, it cannot be determined a long time in advance, are fundamentally superior, it would of course be extraordinary advantageous if the heat exchangers of the invention could be further developed so that they opposite known combustion chambers not only the advantageous properties of combustion chambers of this type explained above to the full extent, but also have cooling channels that are more liquid than all known oxidizers storable rocket fuel systems are corrosion-resistant and therefore also in liquid rocket engines for Storage-resistant fuels can be used · The statement "corrosion-resistant" is always used in the above defined meaning needed

Diese Aufgabe lösen Wärmetauscher nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kühlkanalwände aus einem korrosionsbeständigen metallischen Werkstoff, z.B. korrosionsbeständigem Stahl, einem Edelmetall, Insbesondere Gold, und/oder Aluminium bestehen·This object is achieved by heat exchangers according to a preferred embodiment of the invention, in which the cooling channel walls made of a corrosion-resistant metallic material, e.g. corrosion-resistant steel, a noble metal, in particular Made of gold and / or aluminum

Bevorzugte Wärmetauscher nach dieser Ausführungsform der Erfindung kann man beispielsweise erhalten, indem man zuncchst aus korrosionsbeständigem Stahl.oder - gegebenenfallsPreferred heat exchangers according to this embodiment of the Invention can be obtained, for example, by first made of corrosion-resistant steel. or - if applicable

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— !.ο —-! .Ο -

dispersionsgehärtetem - Aluminium einen Gruhdkörper herstellt, der aus den Stegen sowie gegebenenfalls der Außenwand besteht, die Kühlkanäle mit einer elektrisch leitenden Füllmasse ausfüllt, dann auf der innen- sowie gegebenenfalls der außenwandseitigen Grundkörperoberfläche eine verhältnismäßig dünnwandige Zwischenschicht aus Aluminium oder einem korrosionsbeständigen Edelmetall, insbesondere Gold, und auf dieser dann die Innen- bzw· die Außenwand galvanisch abscheidet. Dabei ist zu beachten, daß bei Zwischenschichten aus Aluminium, die sich nur aus aprotischen Lösungsmitteln abscheiden lassen, keine in organischen Lösungsmitteln lösliche Bestandteile enthaltenden Füllmassen, bei Zwischenschichten aus Edelmetallen dagegen keine niedrig-schmelzenden Metallegierungen als Füllmassen verwendet werden dürfen. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Möglichkeiten zur Herstellung von Wärmetauschern dieses Typs und ihrer Vorteile wird auf die Ausführungen in den gleichzeitig eingereichten Patentanmeldungen 7685 mit der Bezeichnung "Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" und 7686 mit der Bezeichnung "Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" bezug genommen, die mit den sich aus der Verschiedenheit des jeweiligen Innenwandmaterials ergebenden Unterschieden in vollem Umfang auch bezüglich der vorstehend angegebenen Ausführungsformen der Erfindung sinngemäß Gültigkeit haben.dispersion-hardened aluminum produces a base body, which consists of the webs and optionally the outer wall, the cooling channels with an electrically conductive Filling compound fills, then on the inner and optionally the outer wall-side base body surface a relatively thin-walled intermediate layer made of aluminum or a corrosion-resistant noble metal, in particular gold, and the inner or outer wall is then electrodeposited on this. It should be noted that with intermediate layers made of aluminum, which can only be separated from aprotic solvents, none that are soluble in organic solvents Filling compounds containing constituents, but no low-melting compounds in the case of intermediate layers made of noble metals Metal alloys may be used as fillers. For more details on the options for Manufacture of heat exchangers of this type and their advantages is based on the statements in the simultaneously filed Patent applications 7685 with the designation "Heat exchangers, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines and processes for their manufacture "and 7686 with the designation" heat exchangers, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines and method of their manufacture "referred to with those arising from the diversity of the respective inner wall material resulting differences are also valid to the full extent with respect to the embodiments of the invention specified above.

Eine weitere besonders zweckmäßige Untergruppe der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Kühlkanalwänden aus korrosionsbeständigen Werkstoffen sind Wärmetauscher, deren Stege, Innenwände und gegebenenfalls Außenwände aus einem nicht-korrosionsbeständigen Metall, insbesondere Kupfer, bestehen bzw. ein solches Metall als Hauptkomponente enthalten, und bei denen die nicht von einer ZwischenschichtAnother particularly useful subgroup of the preferred embodiment of the invention with cooling duct walls made of corrosion-resistant materials are heat exchangers whose webs, inner walls and possibly outer walls are made of a non-corrosion-resistant metal, in particular copper, or contain such a metal as the main component, and in which they do not from an intermediate layer

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gebildeten Kühlkanalwände mit einer galvanisch abgeschiedenen, dünnwandigen Korrosionsschutzschicht aus Aluminium oder einem korrosionsbeständigen Edelmetall, insbesondere Gold, überzogen sind·formed cooling channel walls with an electrodeposited, thin-walled corrosion protection layer made of aluminum or a corrosion-resistant precious metal, in particular gold, are coated

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Wärmetauscher mit aus Gold oder einem anderen korrosionsbeständigen Edelmetall bestehenden Korrosionsschutzschichten und Zwischenschichten aus dem gleichen oder einem gleichartigen Werkstoff ist darauf zu achten, daß die mit einer Zwischenschicht zu überziehenden Stegoberflächen von Korrosionsschutzschichtmaterial freigehalten oder vor dem Abscheiden der Zwischenschicht befreit und außerdem so abgeätzt werden, daß die Korrosionsschutzschicht etwa 5 bis 120 yum übersteht. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Herstellung, speziellen Ausgestaltung und Vorteile von Wärmetauschern dieses Typs wird auf die entsprechenden Ausführungen in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung 7685 mit der Bezeichnung "Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" hingewiesen, die mit den sich aus den bezüglich Material und Herstellung der Innen- sowie gegebenenfalls der Außenwand und/oder der Stege bestehenden Unterschieden auch in bezug auf erfindungsgemäße Wärmetauscher sinngemäß volle Gültigkeit haben. So sind insbesondere die in dieser Patentanmeldung beschriebenen mehr-, vorzugsweise dreilagigen Zwischenschichten auch bei erfindungsgemäßen Wärmetauschern vorteilhaft.In the manufacture of heat exchangers according to the invention with those made of gold or another corrosion-resistant noble metal Corrosion protection layers and intermediate layers made of the same or a similar material are on top care must be taken to ensure that the web surfaces to be covered with an intermediate layer are made of anti-corrosion layer material kept free or freed prior to the deposition of the intermediate layer and also etched away in such a way that the corrosion protection layer protrudes about 5 to 120 μm. Regarding further Details of the manufacture, special design and advantages of heat exchangers of this type are referred to corresponding statements in the German patent application 7685 filed at the same time with the designation "Heat exchangers, especially regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines and processes too their manufacture "pointed out, which result from the material and manufacture of the interior as well as possibly the outer wall and / or the webs existing differences also with regard to heat exchangers according to the invention have full validity accordingly. In particular, those described in this patent application are more, preferably three-layer intermediate layers also advantageous in heat exchangers according to the invention.

Analog wird bezüglich der Einzelheiten der Herstellung, Ausbildung und Vorteile von erfindungsgemäßen Wärmetauschern mit Korrosionsschutzschichten und/oder Zwischenschichten aus Aluminium auf die Ausführungen in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung 7686 mit der BezeichnungThe same applies to the details of manufacture, training and advantages of heat exchangers according to the invention with corrosion protection layers and / or intermediate layers Aluminum on the statements in the German patent application 7686 filed at the same time with the designation

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"Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung" bezug genommen, die sinngemäß auch auf die entsprechenden Ausfuhrungsformen der Erfindung und deren Herstellung anwendbar sind·"Heat exchangers, especially regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines and processes too their production "is referred to, analogously to the corresponding embodiments of the invention and whose manufacture can be used

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing shows:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher (Brennkammer mit Schubdüse) im Längsschnitt,Figure 1 shows a heat exchanger according to the invention (combustion chamber with exhaust nozzle) in longitudinal section,

Figur 2 einen Schnitt nach der Linie II/II der Fig. 1 undFIG. 2 shows a section along the line II / II in FIG. 1 and

Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht nach Fig. 2.FIG. 3 shows an enlarged detail of the sectional view according to FIG. 2.

Der in Figur 1 dargestellte Wärmetauscher (Brennkammer mit Schubdüse) besteht im wesentlichen aus einer aus galvanisch abgeschiedenem, dispersionsgehärtetem Kupfer bestehenden Innenwand I₁ die mit darauf galvanisch abgeschiedenen Stegen 3 aus Kupfer einen Grundkörper bildet, der in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 2 aufweist. Die im Grundkörper liegenden Wandflächen der Kühlkanäle 2 sind mit galvanisch darauf abgeschiedenen, in den Figuren 1 und 2 nicht erkennbaren Korrosionsschutzschichten 6 aus Gold überzogen. Die Kühlkanäle 2 und die Oberseiten der Stege sind mit einer praktisch vollständig geschlossenen Zwischenschicht 4 abgedeckt, die von einem darauf galvanisch abgeschiedenen, verhältnismäßig dickwandigen Druckmantel 5 aus Kupfer, Nickel, einer Nickel-Kobalt-Legierung oder einem gleichwerten Material umhüllt ist (Figur 2).The heat exchanger shown in Figure 1 (combustion chamber with thrust nozzle) consists essentially of an inner wall I ₁ consisting of electroplated, dispersion-hardened copper, which forms a base body with copper webs 3 electroplated thereon, which has cooling channels 2 running in the longitudinal direction. The wall surfaces of the cooling ducts 2 lying in the base body are coated with corrosion protection layers 6 made of gold, which are galvanically deposited thereon and which cannot be seen in FIGS. 1 and 2. The cooling channels 2 and the tops of the webs are covered with a practically completely closed intermediate layer 4, which is covered by a relatively thick-walled pressure jacket 5 made of copper, nickel, a nickel-cobalt alloy or an equivalent material, which is electrodeposited thereon (FIG. 2) .

Aus der in Figur 3 wiedergegebenen, vergrößerten Ansicht eines Schnitts durch einen Ausschnitt eines erfindungs-From the shown in Figure 3, enlarged view of a section through a detail of an invention

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gemäßen Wärmetauschers, quer zu den Kühlkanälen 2 ist zu ersehen, daß die Stärke der Korrosionsschutzschicht 6 längs der Wand der Stege 3 von oben nach unten hin abnimmt und im Bereich der Kante zwischen den Seitenwänden und den Böden der Kühlkanäle 2, die bei der dargestellten Ausführungsform nahezu rechtwinklig aneinanderstoßen, außerordentlich dünn ist. Weiterhin ist aus Figur 3 zu ersehen, daß die Korro— sionsschutzschichten 6 etwas über die Stege 3 hinausragen und- daß die bei der dargestellten Ausführungsform einlagige Zwischenschicht 4 ungleichmäßig stark ist und dort, wo sie die Korrosionsschutzschicht 6 berührt, eine deutlich erkennbare Dünn- bzw.' Nahtstelle aufweist. Ferner ist in Figur 3 zu erkennen, daß der auf den Stegen 3 liegende Teil der Zwischenschicht 4 an den Außenseiten der Oberseiten der Stege 3 dünner als im mittleren Bereich der Oberseiten der Stege 3 ist, sowie daß die Zwischenschicht 4 in dem über der stegseitigen Oberkante der Korrosionsschutzschicht 6 liegenden Bereich wulstartig verdickt ist und den über die Stege 3 hinausragenden Teil der Korrosionsschutzschicht 6 kappenartig übergreift.according to the heat exchanger, transversely to the cooling channels 2 is to see that the thickness of the anti-corrosion layer 6 decreases along the wall of the webs 3 from top to bottom and in the Area of the edge between the side walls and the bottoms of the cooling channels 2, which in the illustrated embodiment abut almost at right angles, is extremely thin. It can also be seen from Figure 3 that the corrosion Sion protection layers 6 protrude somewhat beyond the webs 3 and that the single-layer in the illustrated embodiment Interlayer 4 is unevenly thick and where it touches the corrosion protection layer 6, a clearly recognizable Thin or ' Has seam. It can also be seen in Figure 3 that the part lying on the webs 3 of the Intermediate layer 4 on the outer sides of the tops of the webs 3 thinner than in the middle area of the tops of the Webs 3, and that the intermediate layer 4 is in the area above the web-side upper edge of the corrosion protection layer 6 lying area is thickened bead-like and over the Web 3 protruding part of the corrosion protection layer 6 overlaps like a cap.

P atentansprüche:Patent claims:

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Claims

Thermally and mechanically highly reliable heat exchanger, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid-propellant rocket engines, consisting made of an electroformed feuerkantenseltigen inner wall and an outer wall and extending between the inner and the outer wall of at least one cooling medium, in particular at least one Treibstoffkoraponente flow-through cooling channels defined by particular Inner and / or one-piece webs are separated from one another, characterized in that at least the inner wall (1) consists of a highly thermally conductive, dispersion-hardened metal.

2 · Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inner wall (1) has a wall thickness of less than about 1 mm.

3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that at least the inner wall (1) consists of dispersion-hardened copper.

4. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the dispersion-hardened metal containing a dispersoid having a mean particle size of about 0.01 to 15, in particular about 0.1 to 10 _# to.

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5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Dispersion-hardened metal as dispersoid at least one oxide, carbide, boride, nitride and / or silicide des Titanium, tungsten, zirconium, aluminum, silicon, hafnium, chromium and / or boron and / or tungsten, Contains titanium, zirconium, chromium and / or carbon and / or a hard intermetallic compound.

6 * Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, wherein the webs between the cooling channels with the inner wall are integrally _y characterized in that the webs (3) consist of galvanically deposited, especially dispersion-hardened metal.

7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, with an outer wall made of an electrodeposited Metal, characterized in that the outer wall (5) is made of dispersion-hardened metal consists·

8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized by a wave-shaped formed inner wall (1), the corrugated crests of which are curved towards the outer wall (5) and are integral therewith and form the webs (3).

9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least the inner wall is continuously cold-work hardened by shot peening during the electrodeposition process is.

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10 _β heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized by at least one intermediate layer (4) made of an electrodeposited metal between the webs (3) and the inner wall (15 and / or the outer wall (5), with the proviso that the Intermediate layer (s) (4) cover or cover the surfaces of the inner and / or outer wall lying above the cooling channels (2).

11. Heat exchanger according to one of claims 1 to 10, characterized in that the walls of the cooling channels (2) are made of one against the components, In particular, the oxidizers of storage-stable liquid rocket propellants are resistant metallic material, in particular corrosion-resistant steel, a precious metal, in particular gold, and / or aluminum, consist

12- heat exchanger according to claims 10 and 11, characterized characterized in that the intermediate layer (s) (4) at least on their the cooling channels (2) facing side made of aluminum, gold or an equivalent corrosion-resistant precious metal in one practically completely closed, preferably at least about 8 .mu.m thick layer (4a) or exist.

13. Heat exchanger according to claim 12, characterized in that the not of an intermediate layer (4) formed cooling channel walls with a galvanically deposited, thin-walled corrosion protection layer (6) made of aluminum or a corrosion-resistant precious metal, especially gold, are covered.

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14 · Process for the manufacture of heat exchangers according to

_s one of claims 1 to 13, characterized in that at least the inner wall is produced by galvanic deposition of a dispersion hardened metal.

15 · The method according to claim 14 ₁ , characterized in that a dispersion hardened metal with a dispersoid and / or dispersoid content that changes in the course of the deposition is deposited.

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