PL B1. Politechnika Świętokrzyska,Kielce,PL BUP 14/08. Bogusław Grabas,Kraków,PL WUP 03/09

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F28F 3/04 ( ) H01L 23/36 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób zwiększania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/08 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/09 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Świętokrzyska,Kielce,PL (72) Twórca(y) wynalazku: Bogusław Grabas,Kraków,PL (74) Pełnomocnik: Garstka Antoni, Politechnika Świętokrzyska PL B1 (57) Sposób charakteryzuje się tym, że dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego; zwłaszcza w obecności kanalika parowego powstałego w wyniku działania skoncentrowanej wiązki laserowej. Przetopienia dokonać można także strumieniem plazmy lub wiązką elektronową. Sam proces przetopienia można prowadzić w sposób impulsowy, pulsacyjny lub ciągły.

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania 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 postępująca miniaturyzacją urządzeń przemysłowych coraz większego znaczenia nabiera problem odprowadzania dużych strumieni ciepła przez powierzchnię. Obecnie rozwiązania problemu poszukuje się w opracowywaniu tzw. technik intensyfikacji wymiany ciepła przy wrzeniu czynnika odbierającego (lub dostarczającego) ciepło. Wdrożone dotychczas techniki dzielą się na aktywne i pasywne. Z uwagi na duże oszczędności energetyczno-materiałowe i prostotę wykonania, najbardziej rozwijane są techniki pasywne, które polegają na modyfikacji charakterystyki i struktury wymieniającej ciepło powierzchni. Celem modyfikacji jest zwiększenie powierzchni kontaktu z czynnikiem chłodzącym lub zwiększenie liczby aktywnych zarodków wrzenia. Istnieje obecnie duża ilość technik pasywnych intensyfikacji wymiany ciepła, w których powierzchnię modyfikuje się głównie poprzez oddziaływanie: a) chemiczne - wżery uzyskane na drodze reakcji chemicznych, pokrycie powierzchni niezwilżalnymi drobinami, b) cieplne - natryskiwanie cieplne plazmowe i w łuku elektrycznym, spiekanie cząstek metalu (np. technika High Flux firmy Union Karbid), wykonywanie mikrootworów wiązką laserową, c) mechaniczne - żeberkowanie, mikrożeberkowanie lub radełkowanie powierzchni, (np. techniki: Thermoexcel-E firmy Hitachi, Turbo-B firmy wolverin Tubę, Gewa-T, Gewa-TX, Gewa-TXY firmy Wieland) stosowanie drobno naciętych rowków, wykonywanie wgłębień, otworów, wypustek czy piaskowanie, d) mechaniczno - cieplne - nakładanie na drodze zgrzewania struktur siatkowatych, [M. E. Poniewski, Wrzenie pęcherzykowe na rozwiniętych mikropowierzchniach", Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2001]. Obecnie duży wysiłek badawczy nakierowany jest na wytworzenie struktur geometrycznych, które zwiększałyby równocześnie powierzchnię wymiany ciepła i jej chropowatość. Celem wynalazku jest wykorzystanie techniki przetapiania, która to technika w prosty sposób umożliwia wytworzenie na powierzchni struktur odznaczających się równocześnie zwiększoną chropowatością i powierzchnią wymiany ciepła. Sposób zwiększania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego zwłaszcza w obecności kanalika parowego powstałego w wyniku działania skoncentrowanej wiązki laserowej. Przetopienia dokonać można także strumieniem plazmy lub wiązką elektronową. Sam proces przetopienia można prowadzić w sposób impulsowy, pulsacyjny lub ciągły. Rozwiązanie według wynalazku przewiduje przetopienie z wytworzeniem lica i grani przetopu. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie zwiększenia powierzchni wymiany ciepła po obydwu stronach elementu i jest szczególnie przydatne w sytuacji gdy dostęp do drugiej strony elementu jest utrudniony. Przetopienia dokonywać można z wytworzeniem tylko lica przetopu lub też z wytworzeniem podcięcia lica przetopu. Możliwe jest także przetopienia z wytworzeniem wypływu grani z równoczesną zapaścią lica przetopu albo z wytworzeniem wygarbienia przetopu. Przewiduje się także takie rozwiązanie w którym przetopienia dokonuje się z równoczesnym metalurgicznym połączeniem materiałów o różnych własnościach fizykochemicznych. Przetopienie laserowe w obecności kanalika parowego występujące podczas spawania głębokiego ciągłego, impulsowego czy pulsacyjnego jest dobrze opisane pod kątem otrzymanej struktury i geometrii przetopu. Przy takim typie przetopienia spoina powstaje w wyniku krzepnięcia roztopionej cienkiej warstwy metalu otaczającej kanalik parowy. Z uwagi na specyfikę oddziaływań fizykochemicznych zachodzących w kanaliku parowym stopiony metal podlega silnym drganiom dając w efekcie zakrzepły przetop odznaczający się dużą mikrochropowatością. Dotyczy to zarówno lica przetopu jak i jego grani w przypadku przetopu na wskroś. Dodatkowo poprzez zmianę parametrów procesowych (głównie operując mocą laserową i czasem naświetlania materiału) można wpływać na warunki krzep-

3 PL B1 3 nięcia kąpieli metalowej zmieniając kształt geometryczny przetopienia prowadzący do zwiększenia powierzchni wymiany ciepła. W przypadku obróbki ciągłej, zwiększenie powierzchni wymiany ciepła można uzyskać przetapiając element metalowy w obszarze parametrów procesowych odpowiadających następującym typom przetopienia: a) podcięcie lica przetopu (termin angielski zjawiska: undercut) - uzyskuje się tutaj przetop o mocno wyniesionym licu zakończonym główką z równoczesnym jego zwężeniem u podstawy. Skanując liniowo wiązką laserową po materiale można otrzymać mikrożeberkowanie powierzchni b) wypływ grani z równoczesną zapaścią lica przetopu (termin angielski zjawiska: drop out). Można uzyskać w ten sposób obustronne żeberkowanie powierzchni o silnie rozwiniętej chropowatości. Taki sposób przetopienia można stosować w sytuacji, gdy możliwy jest dostęp tylko do jednej powierzchni elementu. c) wygarbienia przetopu (termin angielski zjawiska: humping) - otrzymuje się tutaj przetop o silnie pofałdowanej powierzchni. Pozostałe zalety wynalazku, związane z zaletami obróbki laserowej są następujące: a) możliwość ożeberkowania powierzchni bez udziału obróbek mechanicznych, b) duża szybkość przetapiania, c) możliwość wykonywania przetopów o różnych kształtach w jednej operacji i według dowolnie zaprojektowanych trajektorii, d) możliwość wykonania lokalnych przetopów z dużą dokładnością, e) duża elastyczność i wysoka automatyzacja procesu, f) możliwość otrzymania elementu wymieniającego ciepło złożonego z różnoimiennych materiałów, w przypadku, gdy materiały można ze sobą spawać, g) brak oporu cieplnego między wytworzonymi strukturami i materiałem macierzystym. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny przetopienia na wskroś, fig. 2 - przekrój niepełnego przetopienia, fig. 3 - przekrój przetopienia z wytworzeniem podcięcia lica przetopu, fig. 4 - przekrój przetopienia z wytworzeniem wypływu grani z równoczesną zapaścią lica przetopu, fig. 5 - przekrój wzdłużny przetopienia z wytworzeniem wygarbienia, a fig. 6 - przekrój poprzeczny przetopów niepełnych i na wskroś z równoczesnym metalurgicznym połączeniem materiałów o różnych własnościach fizyko-chemicznych. Jak przedstawiono na fig. 1 rysunku, przetopiony element na wskroś posiada lico 1 oraz grań 2 po drugiej stronie elementu. Fig. 2 obrazuje przekrój niepełnego przetopienia z licem 1 wystającym ponad powierzchnię elementu. Na fig. 3 przedstawiono przetopienie, które posiada podcięcie lica 3, a na fig. 4 przetopienie z wytworzoną zapaścią lica 4 i wypływem grani 5 po drugiej stronie elementu. Fig. 5 obrazuje przekrój podłużny przetopienia z wygrabionym licem 6. Przekrój na fig. 6 obrazuje dwa przetopienia na wskroś z licem 1 i granią 2, które jednocześnie łączą dwa materiały 7, 8 o różnych własnościach fizyko-chemicznych oraz dodatkowe niepełne przetopienia z licem 1 na każdym z połączonych elementów. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zwiększania powierzchni wymiany ciepła elementów metalowych, lub wykonanych ze stopów metali, znamienny tym, że dokonuje się przetopienia powierzchni w obecności kanalika parowego zwłaszcza w obecności kanalika parowego powstałego w wyniku działania skoncentrowanej wiązki laserowej. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się strumieniem plazmy. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się wiązką elektronową. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się w sposób impulsowy. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się w sposób pulsacyjny. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się w sposób ciągły. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się z wytworzeniem lica (1) i grani przetopu (2). 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się z wytworzeniem tylko lica (1 ) przetopu.

4 4 PL B1 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się z wytworzeniem podcięcia lica (3) przetopu. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się z wytworzeniem wypływu grani (5) z równoczesną zapaścią lica (4) przetopu. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się z wytworzeniem wygarbienia (6) przetopu. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przetopienia dokonuje się z równoczesnym metalurgicznym połączeniem materiałów (7, 8) o różnych własnościach fizyko-chemicznych. Rysunki

5 PL B1 5

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.