DE102004055889A1 - Method for connecting ceramic pipes, e.g. on tube bundle heat exchangers to metal pipes, e.g. on membrane tube bundle modules, comprises fitting metal pipe over ceramic pipe and sucking adhesive into gap between them - Google Patents

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Abstract

Method for connecting a ceramic pipe (1) with a metal pipe (2) comprises fitting the metal pipe over the ceramic pipe. An adhesive is then sucked into the gap (3, 4) between them. An independent claim is included for connections produced using the method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen und einem metallischen Bauteil gleicher Rotationssymmetrie an der verbindenden Wirkfläche.The The invention relates to a compound and a process for the preparation a connection between a rotationally symmetrical at the connecting active surface ceramic and a metallic component of the same rotational symmetry at the connecting effective surface.

In verfahrenstechnischen Anlagen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, ist es oftmals wünschenswert, bestimmte Anlagenteile aus keramischem Material zu fertigen. Da diese keramischen Bauteile in einen größeren Anlagenkomplex eingebunden werden müssen, besteht das Problem, die keramischen Bauteile mit metallischen Bauteilen zu verbinden. Insbesondere gasdichte Verbindungen von keramischen Rohren mit metallischen Bauteilen, die bei hohen Drücken und Temperaturen von bis zu 1000°C betrieben werden sollen, sind schwierig herzustellen. Derartige Verbindungen werden für keramische Hochtemperatur-Rohrbündelwärmeüberträger bzw. -reaktoren und Membran-Rohrbündelmodule von ionen- und elektronenleitenden Membransystemen zur Sauerstoffgewinnung oder partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen eingesetzt.In Process plants operating at high temperatures it is often desirable to manufacture certain plant components made of ceramic material. There These ceramic components are integrated in a larger system complex Need to become, the problem is the ceramic components with metallic components connect to. In particular gas-tight compounds of ceramic Tubes with metallic components, which at high pressures and Temperatures of up to 1000 ° C are to be operated, are difficult to produce. such Connections are for ceramic high-temperature tube bundle heat exchangers or reactors and membrane tube bundle modules of ion and electron conducting membrane systems for oxygen production or partial oxidation of hydrocarbons used.

Problematisch bei bisherigen stoffschlüssigen Verbindungen zwischen keramischen und metallischen Bauteilen ist die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Keramik und Metall. Zwangsläufig verändert sich daher der Fügespalt zwischen dem keramischen und dem metallischen Teil mit der Temperatur. Die zum Abdichten in den Fügespalt einzubringenden Bindemittel, z.B. anorganische Kleber oder anorganische Zemente, besitzen viel zu geringe Elastizität, um eine ausreichende Dichtheit bei einem Temperaturwechsel zu gewährleisten. Das gleiche gilt für Lötverbindungen, die zusätzlich durch Metallisierung der Keramik oder Aktivlote sehr kompliziert und aufwendig sind.Problematic in previous cohesive Connections between ceramic and metallic components is the different thermal expansion of ceramic and metal. Inevitably changes hence the joint gap between the ceramic and the metallic part with the temperature. The for sealing in the joint gap to be incorporated, e.g. inorganic adhesive or inorganic Cements possess far too little elasticity to ensure sufficient tightness to ensure a change in temperature. The same goes for for solder joints, the additional by metallizing the ceramic or active solders very complicated and are expensive.

Formschlüssige lösbare Verbindungen mit Formringen sind selbstdichtend, lassen axiale Dehnungen zu und passen sich in gewissen Grenzen radialen Dehnungsunterschieden an. Nachteilig sind aber der komplizierte Aufbau und der hohe Platzbedarf, was z.B. im Falle von Rohrbündeln in einer relativ geringen Packungsdichte (Rohroberfläche/Volumen) des Rohrbündels resultiert.Positive releasable connections with molded rings are self-sealing, allow axial strains and Within certain limits, radial expansion differences adapt. The disadvantage, however, is the complicated structure and the high space requirement, what e.g. in the case of tube bundles in a relatively low packing density (tube surface / volume) of the tube bundle results.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung und ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen und einem metallischen Bauteil so auszugestalten, dass die genannten Nachteile bisheriger Verbindungen vermieden werden.Of the present invention is based on the object, a compound and a method for producing the connection between a at the connecting effective surface rotationally symmetrical ceramic and a metallic component in such a way that the mentioned disadvantages of previous compounds be avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Verbindung durch Ineinander-Fügen von dem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen und metallischen Bauteil hergestellt wird, wobei das keramische Bauteil als Innenteil der Verbindung vorgesehen ist, und das metallische Bauteil als das das keramische Bauteil an mindestens einer Umfangslinie umschließendes Außenteil angeordnet wird.These Task is the process side according to the invention solved by that by connective joining of the at the connecting effective area rotationally symmetrical ceramic and metallic component produced is, wherein the ceramic component as the inner part of the compound is provided, and the metallic component than that of the ceramic Component on at least one circumference enclosing outer part is arranged.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass Keramiken üblicherweise geringere Wärmedehnungen zeigen als Metalle. Deshalb lassen sich durch thermisches Fügen (Schrumpfen) feste Verbindungen schaffen, bei denen sich der Fügespalt mit der Temperatur nicht mehr verändert, wenn man als Innenteil die Keramik, als Außenteil das Metall anordnet und eine Schrumpfspannung auch noch bei maximaler Betriebstemperatur vorhanden ist. Das ist möglich, wenn hochkriefeste Metalle zum Einsatz kommen, so dass sich Schrumpfspannungen durch Fließen des Metalles nur äußerst langsam abbauen können und der Fügespalt sich praktisch nicht verändert. Beim Abkühlen aus dem Betriebszustand verstärken sich die Schrumpfspannungen. Dabei wirken am Keramikteil nur Druckspannungen. Das ist entscheidend, da die Zugempfindlichkeit von Keramik sehr groß, die Druckfestigkeit im Allgemeinen aber acht mal größer als die Zugfestigkeit ist. Auch beim Abkühlen verändert sich der Fügespalt nicht, da das Keramikteil vom Metallteil gepresst wird.The Invention is based on the consideration, that ceramics usually lower thermal expansions show as metals. Therefore, by thermal joining (shrinking) create solid connections in which the joint gap with the temperature does not change anymore, if you place the ceramic as the inner part, the metal as the outer part and a shrinkage stress even at maximum operating temperature is available. That is possible, when high-grade metals are used, so that shrinking stresses by flowing of the metal only extremely slowly can break down and the joint gap practically unchanged. On cooling amplify from the operating condition the shrinking stresses. In this case act on the ceramic part only compressive stresses. This is crucial because the tensile sensitivity of ceramics is very high large, the compressive strength in general but eight times greater than the tensile strength is. Even when cooling, the joint gap changes not because the ceramic part is pressed by the metal part.

Das an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische keramische und das dazugehörige metallische Bauteil gleicher Rotationssymmetrie können entweder eine zylindrische oder eine konische Wirkfläche besitzen. Konische Wirkflächen haben den Vorteil des einfacheren Fügens. Ebenfalls können zur Verbesserung der Gasdichtheit auf konische Wirkflächen vor dem Fügen anorganische Dichtungsmittel aufgetragen werden, die bei Füge- oder Betriebstemperatur erweichen. Derartige Dichtungsmittel sind z.B. Gold oder Silber.The at the connecting effective surface rotationally symmetrical ceramic and the associated metallic component same Rotational symmetry can have either a cylindrical or a conical effective surface. Conical surfaces have the advantage of easier joining. Also can to Improvement of gas tightness on conical surfaces the joining inorganic sealants are applied, the joining or Soften operating temperature. Such sealants are e.g. Gold or silver.

Zur Verbesserung der Gasdichtheit der Verbindung kann zusätzlich nach dem Ineinanderfügen ein thermisch beständiger Kleber in einen sich nach außen keilförmig erweiternden Fügespalt eingebracht werden. Hierzu ist das metallische Bauteil so ausgestaltet, dass sich ab einer bestimmten Länge ein keilförmig nach außen erweiternder Fügespalt ergibt. Als thermisch beständiger Kleber kann z.B. Natriumsilicat eingesetzt werden.to Improvement of the gas-tightness of the connection can additionally after the nesting more thermally stable Glue in an outward cuneiform expanding joint gap be introduced. For this purpose, the metallic component is designed such that from a certain length on cuneiform outward expanding joint gap results. As thermally stable Glue can e.g. Sodium silicate can be used.

Der thermisch beständige Kleber wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch Anlegen von Vakuum bis in den Spaltgrund des Fügespalts eingesaugt.The thermally resistant adhesive is, according to a particularly preferred embodiment by applying vacuum to the gap bottom of Sucked in.

Neben dem Verfahren zur Herstellung der Verbindung betrifft die Erfindung auch die Verbindung selbst. Erfindungsgemäß ist das an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische keramische Bauteil als Innenteil der Verbindung vorgesehen und das dazugehörige an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische metallische Bauteil als das das keramische Bauteil an mindestens einer Umfangslinie umschließende Außenteil angeordnet. Das an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische keramische und das dazugehörige metallische Bauteil gleicher Rotationssymmetrie besitzen entweder eine zylindrische oder eine konische Wirkfläche.Next the process for preparing the compound relates to the invention also the compound itself. According to the invention that is at the connecting effective area rotationally symmetrical ceramic component as the inner part of the compound provided and the associated rotationally symmetric at the connecting effective surface metallic component than the ceramic component at least enclosing a circumferential line outer part arranged. The rotationally symmetrical at the connecting effective surface ceramic and the associated one metallic components have the same rotational symmetry either a cylindrical or a conical effective surface.

Um eine bessere Gasdichtheit zu gewährleisten, kann vorzugsweise ein sich nach außen keilförmig erweiternder Fügespalt vorgesehen sein, in den ein thermisch beständiger Kleber eingebracht ist.Around to ensure a better gas tightness, may preferably be an outwardly wedge-shaped widening joint gap be provided, in which a thermally resistant adhesive is introduced.

Im Falle von konischen Wirkflächen kann für eine bessere Gasdichtheit auf die Wirkflächen vor dem Fügen vorzugsweise ein anorganisches Dichtungsmittel aufgetragen sein, das bei Füge- oder Betriebstemperatur erweicht.in the Trap of conical surfaces can for one better gas tightness on the active surfaces before joining preferably an inorganic sealant may be applied, which in joining or Operating temperature softens.

Zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen ist gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens eine Ringnut im metallischen Bauteil eingearbeitet.to Avoidance of improper Notch stresses is according to a Development of the inventive idea an annular groove in the metallic Component incorporated.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von zwei in den 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:In the following, the invention with reference to two in the 1 and 2 schematically illustrated embodiments are explained in more detail:

Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine Verbindung von Keramik- und Metallrohr mit zylindrischer Wirkfläche und zusätzlicher Anwendung eines anorganischen Klebers.The 1 shows a section through a combination of ceramic and metal tube with cylindrical effective surface and additional application of an inorganic adhesive.

Ein keramisches Rohr 1 ist durch thermisches Fügen mit einem metallischen Rohr 2 verbunden. Der zylindrische Fügespalt 3 verläuft im Inneren achsparallel zur Aufnahme der Presskräfte. Ab einer bestimmten Länge erweitert sich der Fügespalt 3 zu einem keilförmigen Spalt 4, in den von außen der Kleber eingebracht wird.A ceramic tube 1 is by thermal joining with a metallic tube 2 connected. The cylindrical joint gap 3 runs axially parallel to the absorption of the pressing forces. From a certain length, the joint gap widens 3 to a wedge-shaped gap 4 , in which the adhesive is introduced from the outside.

Zweckmäßigerweise wird der Kleber durch Anlegen von Vakuum bis in den Spaltgrund des keilförmigen Spaltes 4 eingesaugt. In diesem Bereich ist dann die Kleberschichtdicke sehr gering, und es wird eine sehr große Scher/Zug-Festigkeit der Klebeverbindung erreicht. Zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen im metallischen Rohr ist die Ringnut 5 eingearbeitet.Appropriately, the adhesive is applied by applying vacuum to the gap bottom of the wedge-shaped gap 4 sucked. In this area, then the adhesive layer thickness is very low, and it is achieved a very high shear / tensile strength of the adhesive bond. To avoid impermissible notch stresses in the metallic tube is the annular groove 5 incorporated.

Die 2 zeigt einen Schnitt durch eine Verbindung von Keramik- und Metallrohr mit konischer Wirkfläche.The 2 shows a section through a compound of ceramic and metal tube with conical effective surface.

Ein keramisches Rohr 1 ist durch thermisches Fügen mit einem metallischen Rohr 2 verbunden. Der Fügespalt 3 verläuft konisch. Zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen im metallischen Rohr ist die Ringnut 5 eingearbeitet.A ceramic tube 1 is by thermal joining with a metallic tube 2 connected. The joint gap 3 runs conical. To avoid impermissible notch stresses in the metallic tube is the annular groove 5 incorporated.

Claims (14)

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil (1) und einem metallischen Bauteil (2) gleicher Rotationssymmetrie an der verbindenden Wirkfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch Ineinander-Fügen von dem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil (1) und metallischen Bauteil (2) hergestellt wird, wobei das keramische Bauteil (1) als Innenteil der Verbindung vorgesehen ist, und das metallische Bauteil (2) als das keramische Bauteil (1) an mindestens einer Umfangslinie umschließendes Außenteil angeordnet wird.Method for producing a connection between a ceramic component which is rotationally symmetrical on the connecting active surface ( 1 ) and a metallic component ( 2 ) of the same rotational symmetry at the connecting active surface, characterized in that the compound by inter-joining of the rotationally symmetrical on the connecting active surface ceramic component ( 1 ) and metallic component ( 2 ), wherein the ceramic component ( 1 ) is provided as the inner part of the connection, and the metallic component ( 2 ) as the ceramic component ( 1 ) is arranged on at least one peripheral line enclosing outer part. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ineinander-Fügen ein thermisch beständiger Kleber in einen sich nach außen keilförmig erweiternden Fügespalt (4) eingebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that after the nested joining a thermally stable adhesive in a wedge-shaped outwardly widening joint gap ( 4 ) is introduced. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch beständige Kleber durch Anlegen von Vakuum bis in den Spaltgrund des Fügespalts (4) eingesaugt wird.A method according to claim 2, characterized in that the thermally stable adhesive by applying vacuum to the gap bottom of the joint gap ( 4 ) is sucked. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Bauteil (1) und ein metallsiches Bauteil (2) mit zylindrischen Wirkflächen verwendet werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a ceramic component ( 1 ) and a metal-like component ( 2 ) can be used with cylindrical active surfaces. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Bauteil (1) und ein metallisches Bauteil (2) mit konischen Wirkflächen verwendet werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a ceramic component ( 1 ) and a metallic component ( 2 ) can be used with conical surfaces. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wirkflächen vor dem Ineinander-Fügen ein anorganisches Dichtungsmittel aufgetragen wird, das bei Füge- oder Betriebstemperatur erweicht.Method according to claim 5, characterized in that that on the active surfaces before merging an inorganic sealant is applied, the joining or Operating temperature softens. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtungsmittel Gold oder Silber verwendet wird.Method according to Claim 6, characterized that as sealant gold or silver is used. Verbindung zwischen einem an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrischen keramischen Bauteil (1) und einem metallischen Bauteil (2) gleicher Rotationssymmetrie an der verbindenden Wirkfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil (1) als Innenteil der Verbindung vorgesehen ist und das dazugehörige, an der verbindenden Wirkfläche rotationssymmetrische, metallische Bauteil (2) als das keramische Bauteil (1) an mindestens einer Umfangslinie umschließendes Außenteil angeordnet ist.Connection between a rotationally symmetrical on the connecting active surface ceramic Component ( 1 ) and a metallic component ( 2 ) of the same rotational symmetry at the connecting active surface, characterized in that the ceramic component ( 1 ) is provided as the inner part of the connection and the associated, rotationally symmetrical on the connecting active surface, metallic component ( 2 ) as the ceramic component ( 1 ) is arranged on at least one peripheral line enclosing outer part. Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich nach außen keilförmig erweiternder Fügespalt (4) vorgesehen ist, in den ein thermisch beständiger Kleber eingebracht ist.A compound according to claim 8, characterized in that an outwardly wedge-shaped widening joint gap ( 4 ) is provided, in which a thermally resistant adhesive is introduced. Verbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im metallischen Bauteil (2) zur Vermeidung von unzulässigen Kerbspannungen eine Ringnut (5) eingearbeitet ist.A compound according to claim 8 or 9, characterized in that in the metallic component ( 2 ) to avoid impermissible notch stresses an annular groove ( 5 ) is incorporated. Verbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil (1) und das metallische Bauteil (2) zylindrische Wirkflächen besitzen.A compound according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the ceramic component ( 1 ) and the metallic component ( 2 ) have cylindrical active surfaces. Verbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil (1) und das metallische Bauteil (2) konische Wirkflächen besitzen.A compound according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the ceramic component ( 1 ) and the metallic component ( 2 ) have conical surfaces. Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wirkflächen ein anorganisches Dichtungsmittel aufgetragen ist.Connection according to claim 12, characterized in that that on the active surfaces an inorganic sealant is applied. Verbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmittel Gold oder Silber aufweist.Connection according to claim 13, characterized in that that the sealant comprises gold or silver.
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DE102014207537A1 (en) * 2014-04-22 2015-10-22 Vaillant Gmbh sealing sleeve
WO2017102279A1 (en) * 2015-12-16 2017-06-22 Continental Automotive Gmbh Sensor for use in an exhaust gas system

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