DE3607047C2 - Poröses keramisches Element - Google Patents
Poröses keramisches ElementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein poröses keramisches Element gemäß
Hauptanspruch.
Poröse keramische Strukturen werden beispielsweise zur Erhöhung des
Heizwirkungsgrades eines Ofens als wärmedämmendes Element
in die Abgasöffnung des Ofens eingesetzt.
Zur thermischen Isolierung des Abgas-Auslasses eines Ofens oder dergleichen
ist es bekannt, als gasdurchlässigen Wärmeisolator ein feinkeramisches Wa
benelement oder einen porösen keramischen Körper mit einer dreidimen
sional verbundenen, offenzelligen Struktur in die Abgasöffnung des Ofens ein
zusetzen, so daß der Ofen gegen eine Wärmeabstrahlung abgeschirmt wird
und die Wärmeenergie des Abgases durch Wärmeaustausch mit dem durch
das keramische Element strömenden Abgas zurückgewonnen wird. Die zu
rückgewonnene Wärmeenergie wird in Form von Strahlungswärme direkt in
den Heizbereich des Ofens zurückgeführt (Japanische offengelegte Anmel
dung 57-209892, entsprechend EP-A 068 360).
Herkömmliche gasdurchlässige Wärmeisolatoren mit einer Keramikwabe
oder einem porösen keramischen Körper der oben beschriebenen Art weisen
zufriedenstellende Eigenschaften auf, solange sie unter Bedingungen einge
setzt werden, bei denen keine starken Temperaturunterschiede und keine
größeren Mengen an Staub auftreten. Bei starken Temperaturänderungen
treten bei dem herkömmlichen keramischen Wabenelementen jedoch leicht
Risse oder ähnliche Schäden in den Ecken oder Randbereichen auf. Bei her
kömmlichen porösen keramischen Körpern besteht zudem die Gefahr, daß
die dreidimensionale offenzellige Struktur des Keramikkörpers sich mit
Staub zusetzt, wenn das Abgas größere Mengen an Staub enthält, wie bei
spielsweise Flugasche, die beim Verbrennungsvorgang entsteht, oder wie Brand
kruste des erhitzten Materials. Dies führt zu erhöhten Druckverlusten im Ab
gassystem und somit zu Schwierigkeiten beim Betrieb des Ofens.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Element zu
schaffen, das als gasdurchlässiger Wärmeisolator eingesetzt werden kann und
bei dem auch bei starkem Staubanfall und/oder starken Temperaturänderun
gen weder eine Verstopfung der Poren noch Risse oder ähnliche Schäden in
dem Keramikmaterial entstehen. Das keramische Element soll beispielsweise
in einem Abgasreiniger, als Festkörper-Kollektor oder als Filter für geschmol
zenes Metall einsetzbar sein.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß aus dem kennzeich
nenden Teil des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an
gegeben.
Das erfindungsgemäße keramische Element weist einen Wabenkörper auf,
der durch dicht beieinanderliegende, in einer Reihe ausgerichtete Paare ge
neigter zylindrischer Zellen gebildet wird, die jeweils nach Art einer schräg
gestellten Ziffer "8" angeordnet sind. Die Weite der Zellen liegt im Bereich
von 5 bis 30 mm, die Höhe beträgt 10 bis 100 mm. Der Neigungswinkel der
Zellen beträgt 20 bis 70°.
Die DE-AS 25 38 613 beschreibt eine Wabenkörperstruktur, bei der sämtli
che Zellen ausschließlich durch gekrümmte Wände zwischen gemeinsamen
Nahtlinien gebildet werden, die eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen
Druck- und Zugkräfte aufweisen sollen, wie sie bei ungleichmäßig hohen
Temperaturen auftreten. Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
jedoch im übrigen nicht verwirklicht.
Die DE-OS 27 08 908 betrifft eine ähnliche keramische Wabenkörperstruktur
mit konkav und konvex gekrümmten Zellwänden. Auch in diesem Falle geht
es um die mechanische Festigkeit infolge starker Temperaturgefälle.
Die DE-AS 22 10 438 zeigt und beschreibt einen keramischen Wabenkörper,
der hergestellt wird durch Eindrücken von Stiften in einen Block. Die DE-
AS 22 01 477 und 22 02 152 sowie die DE-OS 23 37 034 zeigen und be
schreiben die Bildung von Wabenkörpern durch abwechselnde Anordnung
von glatten und gewellten Lagen. Die US-PS 29 77 265 befaßt sich mit einer
entsprechenden Keramikstruktur mit einem Verstärkungsgerüst als Träger
und einem Keramikmaterial, das als Schlamm auf diesem abgelagert wird. Das
dadurch gebildete wabenförmige Material soll sandwich-förmig zwischen zwei
Platten angebracht werden.
Die erfindungsgemäßen Wabenkörper sind bevorzugt als langgestreckte Körper
in in Doppelreihen angeordneten Zellen ausgebildet. Wenn
auf einer bestimmten Fläche eine Wärmeisolierung ge
wünscht wird, so werden mehrere derartige Wabenkörper
mit ihren Längsseiten aneinanderliegend miteinander
verbunden, so daß sie zusammen ein Element bilden,
das die zu isolierende Fläche ausfüllt.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen keramischen
Struktur als Wärmeisolator im Abgas-Auslaß eines Ofens
werden durch die geneigten zylindrischen Zellen des
Wabenkerns die Abgaskanäle gebildet. Wenn der Abgas-
Auslaß vollständig durch die erfindungsgemäße Struktur
abgedeckt ist, so wird infolge der Neigung der Zellen
ein geradliniger Durchtritt von Licht oder Wärmestrah
lung durch die Wabenkörper verhindert, ohne daß die
Gasströmung nennenswert beeinträchtigt wird. Die Wärme
strahlung wird durch das Wabenelement reflektiert, so
daß Wärmestrahlungsverluste des Ofens verhindert werden.
Darüber hinaus kommt es zu einem Wärmeaustausch zwischen
dem keramischen Wabenkörper und dem hindurchströmenden
Abgas, so daß sich die keramische Struktur ihrerseits
erwärmt und Wärme zu dem Ofen zurückstrahlt. Auf diese
Weise wird durch direkte Zurückführung der Wärme in
Form von Strahlungswärme eine beträchtliche Energie
ersparnis erreicht. Thermische Spannungen, die sich in
folge starker Temperaturänderungen ergeben, werden durch
die erfindungsgemäße keramische Struktur verteilt, so
daß die Struktur eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen
über thermischen Schocks aufweist. Darüber hinaus wird
durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Wabenkörpers
die Gefahr von Verstopfungen des keramischen Elements
durch Staub oder dergleichen verringert.
Die erfindungsgemäße keramische Struktur ist daher für
den Einsatz beispielsweise als gasdurchlässiger Wärme
isolator unter Bedingungen mit starkem Staubanfall und
starken Temperaturänderungen geeignet.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung sind die Wände der zylindrischen Zellen mit Durch
brüchen versehen, durch die benachbarte Zellen mitein
ander verbunden werden. Durch diese Querverbindungen
in den Zellen des wabenförmigen Elements wird eine
starke Verwirbelung und Durchmischung des hindurch
strömenden Fluids erreicht.
Die Wabenkörper können in mehreren Schichten überein
ander angeordnet sein. Wahlweise können auch Schichten
aus porösem keramischen Material auf einer oder beiden
Stirnseiten des Wabenkörpers vorgesehen sein. Bei dem
porösen keramischen Material kann es sich beispielsweise
um ein schaumförmiges keramisches Material oder um eine
keramische Nadelstruktur oder Keramik-Wolle handeln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind in den Zellwänden des Wabenkörpers Hohlräume aus
gebildet, die zu einer Stirnseite des Wabenkörpers hin
offen sind. Hierdurch wird die Haltbarkeit des Waben
körpers im Hinblick auf thermische Spannungen erhöht.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene
perspektivische Ansicht eines Aus
führungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist ein vergrößerter Grundriß zu
zu Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 1
und zeigt ein anderes Ausführungs
beispiel der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Schnitt durch das Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ist eine teilweise aufgeschnittene
perspektivische Ansicht eines Blattes
oder Bandes, das zur Herstellung
eines Wabenkerns gemäß Fig. 3 ver
wendet wird;
Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen wei
terer Ausführungsbeispiele der Er
findung;
Fig. 8 ist ein schematischer Längsschnitt
durch ein weiteres Ausführungsbei
spiel der Erfindung;
Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie
IX-IX in Fig. 8; und
Fig. 10 ist ein schematischer Längsschnitt
durch ein weiteres Ausführungsbei
spiel der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße poröse keramische
Struktur 1 gezeigt, die durch einen Wabenkörper 3 oder
eine Anordnung mehrerer derartiger Wabenkörper gebildet
wird. Der Wabenkörper 3 besteht aus einem mäanderförmig
oder in Form einer schräggestellten Ziffer "8" gefalteten
Band aus Keramikmaterial, dessen Schleifen Paare aufein
anderfolgender schräggestellter zylindrischer Zellen 2, 2′
mit ovalem Querschnitt bilden. In dem speziellen Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die keramische Struktur
1 durch eine Anordnung aus mehreren nebeneinanderliegenden
Wabenkörpern 3 gebildet, die an ihren einander zugewandten
gefalteten Rändern in der in Fig. 1 gezeigten Weise mit
einander verbunden sind. In Fig. 1 sind zwei Wabenkörper
3 dargestellt. In diesem Fall sind die Wände, die die
zylindrischen Zellen 2, 2′ bilden, durchgehend miteinander
verbunden, und die Zellen 2, 2′ bilden Kanäle 5 für ein
Fluid, beispielsweise für Abgas oder dergleichen. Die
Erstreckung in Längsrichtung des Wabenkörpers 3, d. h.,
die Länge der durch die geneigten zylindrischen Zellen 2,
2′ gebildeten Zeilen, und die Anzahl der Wabenkörper 3
werden jeweils entsprechend den Abmessungen des Bereiches
festgelegt, in welchem die keramische Struktur 1 angeordnet
werden soll. Die Querschnittsform der zylindrischen Zellen
2, 2′ ist nicht auf die gezeigte ovale Form beschränkt.
Die Zellen können auch einen kreisförmigen oder einen
in anderer Weise geformten Querschnitt aufweisen.
Erfindungsgemäß haben die den Wabenkörper bildenden Zellen
2 und 2′ eine Breite d von 5 bis 30 mm (entsprechend dem
kleineren Durchmesser der zylindrischen Zelle mit ovalem
Querschnitt gemäß Fig. 1), eine Höhe h von 10 bis 100 mm
(entsprechend der Dicke des Wabenkörpers) und einen
Neigungswinkel R von 20 bis 70°. Durch diese Anordnung
wird erreicht, daß bei der Verwendung der Struktur 1
als gasdurchlässiger Wärmeisolator die Druckverluste
sowie die Verzögerung des Verbrennungsvorgangs vermieden
werden, die andernfalls durch die Verstopfung der Zellen
durch Ansammlung von Staub verursacht würde. Andererseits
wird eine wirksame Abschirmung gegen Wärmeverluste durch
Wärmestrahlung gewährleistet. Die Struktur weist zudem
eine hohe mechanische Stabilität und eine hohe Widerstands
fähigkeit gegenüber thermischen Schocks auf. Wenn die
Breite d der Zellen kleiner als 5 mm ist, besteht dagegen
die Gefahr, daß die Gaskanäle 5 durch Ablagerung des in
dem Abgas enthaltenen Staubs verstopft werden, und außer
dem nimmt der Druckverlust bereits bei einem Betrieb
über einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum so stark zu,
daß er eine nicht mehr akzeptable Höhe erreicht. Wenn dagegen
die Breite der Zellen größer als 30 mm ist, wird die
Porosität zu groß, und die Oberfläche der Wände des
Keramikmaterials, an denen der Wärmeaustausch mit dem
Abgas stattfindet, wird verhältnismäßig klein, so daß
der Wärmeübergang von dem Abgas zu dem Wärmeisolator
verringert wird und die Auskühlung durch Wärmeabstrahlung
so stark zunimmt, daß die Struktur nicht mehr als gas
durchlässiger Wärmeisolator geeignet ist.
Wenn die Höhe h der zylindrischen Zellen 2, 2′ (die Dicke
des Wabenkörpers) kleiner als 10 mm ist, wird der Wärme
übergang von dem Abgas auf den Wärmeisolator infolge
der Verringerung der Oberfläche der Wände des Keramik
materials stark reduziert, und die optische Dicke des
Wabenkörpers 3 wird zu klein, als daß der geradlinige
Durchgang von Licht oder Wärmestrahlung durch den Wärme
isolator noch verhindert werden könnte, so daß eine
unerwünschte Auskühlung durch Wärmestrahlung eintritt.
Wenn der Neigungswinkel der Zeilen 2, 2′ in Bezug auf
die Senkrechte kleiner als 20° ist, wird es schwierig,
eine ausreichende Unterdrückung der Wärmeabstrahlung
zu gewährleisten, und die zylindrischen Zellen müßten zu
diesem Zweck eine große Höhe aufweisen. Darüber hinaus
bestünde eine größere Gefahr von Druckverlusten infolge
der Ablagerung von Staub, so daß die Ziele der Erfindung
nicht mehr erreicht würden. Wenn andererseits der Neigungs
winkel größer als 70° wäre, ergäbe sich ein starker Druck
verlust, sofern die Stirnflächen der Zellen dem Abgas
zugewandt sind. Bei der praktischen Anwendung der Struktur
als Wärmeisolator träte darüber hinaus eine unvertretbare
Ansammlung von Staub auf.
Der bevorzugte Bereich für die Breite d der Zellen be
trägt 7 bis 18 mm, der bevorzugte Bereich für die Höhe h
der Zellen beträgt 15 bis 30 mm und der Neigungswinkel
liegt bevorzugt zwischen 30 und 65°. Der erfindungsgemäße
Wabenkörper ist bevorzugt derart ausgelegt, daß der
Druckverlust der Luft beim Durchqueren eines Wabenkörpers
mit einer Dicke von 1cm mit einer Geschwindigkeit von
1 m/s im Bereich von 0,05 bis 10 mm, vorzugsweise 0,1 bis
1 mm liegt.
Der erfindungsgemäße Wabenkörper kann durch Trocknen und
Sintern eines Keramik-Schlamms hergestellt werden, der
auf einem Träger-Wabenkörper oder auf einer Anordnung
aus mehreren verbundenen Träger-Wabenkörpern abgelagert
ist. Der Träger-Wabenkörper wird seinerseits dadurch
hergestellt, daß ein länglicher Streifen aus Papier
oder Kunststoffolie mäanderförmig gefaltet wird, so
daß die gebildeten Schleifen annähernd eine Abfolge
schräggestellter Achten bilden und indem die entgegen
gesetzten Enden der durch die Schleifen gebildeten zylin
drischen Zellen schräg abgeschnitten werden. Es kann
ein beliebiges Keramikmaterial verwendet werden. Im
Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermi
schen Schocks werden jedoch bevorzugt Materialien wie
Cordierit, Mullit, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder
dergleichen verwendet. Die erfindungsgemäße keramische
Struktur kann als gasdurchlässiger Wärmeisolator ver
wendet werden, indem die Struktur in einen Gasauslaß
oder -kanal eines Ofens eingepaßt wird, in welchem
ein Brennstoff wie etwa Gas, Öl oder dergleichen
verbrannt wird, beispielsweise wird die keramische
Struktur derart angeordnet, daß sie den Abgasauslaß oder
-kanal oder das aufzuheizende Material abdeckt. Hierdurch
wird das Material einerseits durch die Wärmestrahlung
des Ofens und andererseits durch die von dem gasdurch
lässigen Wärmeisolator reflektierte Wärmestrahlung auf
geheizt. Eine zusätzliche Aufheizung ergibt sich durch
die von dem Wärmeisolator selbst erzeugte Wärmestrahlung,
die durch den Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeisolator
und dem durchströmenden heißen Abgas hervorgerufen wird.
Auf diese Weise kann durch die Nutzung der Abwärme des
Abgases, die bisher nicht zur Aufheizung des Materials
in dem Ofen genutzt werden konnte, ein sehr hoher Wärme
wirkungsgrad erzielt werden. Durch die erfindungsgemäße
geometrische Gestalt und Dimensionierung des Wabenkörpers
wird darüber hinaus eine wirksame Verteilung der thermischen
Spannungen erreicht, so daß der Keramikkörper eine hohe
thermische Schockfestigkeit aufweist. Gleichzeitig
wird durch die Form und Dimensionierung des Keramikkörpers
die Gefahr der Ablagerung des in dem Abgas enthaltenen
Staubes und einer Verstopfung des Keramikkörpers vermie
den, durch die der Verbrennungsvorgang in dem Ofen be
hindert würde.
In dem oben beschriebenen Fall kann die erfindungsgemäße
keramische Struktur in beliebiger Stellung montiert
werden. Um die Wärmestrahlungsverluste und die Anlagerung
von Staub weiter zu verringern, empfiehlt es sich jedoch,
die keramische Struktur derart anzuordnen, daß die
Stirnfläche des Wabenkörpers, in der sich die Öffnungen
der Zellen 2, 2′ befinden, der Abgasströmung zugewandt
ist und annähernd rechtwinklig zur Strömungsrichtung
verläuft, ohne daß ein geradliniger Lichtdurchtritt
durch den Wärmeisolator ermöglicht wird. Das Abgas
trifft somit auf die Wände des Wärmeisolators auf.
Erforderlichenfalls kann der Wabenkörper oder die Waben
körperanordnung eine katalytische Wirkung ausüben, durch
die beispielsweise Stickoxyde beseitigt werden, die im
Abgas eines mit Schweröl befeuerten Ofens enthalten sind.
In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfin
dung dargestellt, bei dem ähnlich wie bei dem Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 1 ein keramischer Wabenkörper 3
mit einer Reihe paarweise angeordneter zylindrischer
Zellen 2, 2′ vorgesehen ist, die einen kreisförmigen oder
ovalen Querschnitt aufweisen und zusammen die Form
schräggestellter Achten bilden. Fig. 3 zeigt eine waben
förmige Anordnung 4, bei der mehrere nebeneinanderliegende
Wabenkörper 3 an den einander zugewandten gefalteten
Rändern miteinander verbunden sind. Die Zellwände der
Zellen 2, 2′ sind mit quadratischen Öffnungen 6 versehen,
durch die die Kanäle 5 benachbarter Zellen 2, 2′ mitein
ander verbunden werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 3 sind durch die Öffnungen 6 die Hohlräume oder
Kanäle 5 der Zellen 2 und 2′ desselben Wabenkörpers 3
untereinander jedoch nicht mit den Kanälen der zylin
drischen Zellen des anderen Wabenkörpers verbunden. Es
können jedoch auch Öffnungen vorgesehen sein, die die
Hohlräume der Zellen verschiedener Wabenkörper miteinander
verbinden.
Die Größe der Öffnungen 6 sollte 20 bis 95%, vorzugsweise
20 bis 50%, der Oberfläche der zylindrischen Zellwände
betragen. In Längsrichtung der jeweiligen Zellwand können
ein oder mehrere derartiger Verbindungsöffnungen vorge
sehen sein. Die Form der Öffnungen 6 ist nicht auf
die gezeigte quadratische Form beschränkt. Die Öffnungen
können eine beliebige andere Form aufweisen.
Obgleich die Herstellung der Wabenkörper 3 oder der Waben
körper-Anordnung 4 nicht auf ein bestimmtes Verfahren
beschränkt ist, ist es ratsam, den Wabenkörper bzw. die
Wabenkörper-Anordnung durch Trocknen und Sintern eines
keramischen Schlamms herzustellen, der auf einem Waben
körper oder einer Anordnung mehrerer verbundener Waben
körper abgelagert ist, wobei jeder Wabenkörper durch
einen länglichen Streifen aus Papier oder Kunststoff
gebildet wird, der in vorgegebenen Längenabständen
mit quadratischen Öffnungen 7 versehen ist und mäander
förmig oder 8-förmig gefaltet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden durch die Zellen
des Wabenkörpers oder der Wabenkörper-Anordnung gerad
linige Strömungskanäle gebildet. Da jedoch Öffnungen
in den Zellwänden ausgebildet sind, wird ein Teil des
durch die zylindrischen Zellen strömenden Fluids recht
winklig zu den Strömungskanälen verteilt, so daß aufgrund
der ausgezeichneten Verwirbelungswirkung, die durch die
Öffnungen in den Zellwänden hervorgerufen wird, eine
gegenseitige Durchdringung und Durchmischung der
Fluidströmungen erreicht wird. Wenn die keramische
Struktur als Filter für geschmolzenes Metall oder als
Feststoffteilchen-Kollektor eingesetzt wird, können
daher in der Schmelze enthaltene Verunreinigungen zu
verlässig entfernt werden, da die erfindungsgemäße
Struktur zusätzlich zu der Oberflächen-Filterwirkung
eine innere Filterwirkung aufweist. Bei der Verwendung
als gasdurchlässiger Wärmeisolator wird das Fluid
wirksam mit den zylindrischen Zellwänden in Berührung
gebracht, so daß ein intensiver Wärmeaustausch sicher
gestellt ist.
Der erfindungsgemäße Wabenkern oder die Wabenkern-Anordnung
kann in Stapelform verwendet werden, die beispielhaft
durch die Ausführungsform gemäß Fig. 6 veranschaulicht
wird. In diesem Fall sind mehrere (beispielsweise zwei)
der Wabenkern-Anordnungen gemäß Fig. 4 vorzugsweise in
gestaffelter Anordnung übereinandergeschichtet, so daß
die unteren Öffnungen der Zellen 2, 2′ des oberen Waben
körpers 3 gegenüber den offenen oberen Enden der Zellen
2, 2′ des unteren Wabenkörpers 3 versetzt sind. In diesem
Fall kann der obere Wabenkörper 3, der in Fig. 6 durch
durchgezogene Linien dargestellt ist, gegenüber dem
durch strichpunktierte Linien angedeuteten unteren
Wabenkörper 3 wahlweise nur in Längsrichtung, nur in
Querrichtung oder sowohl in Längsrichtung als auch in
Querrichtung versetzt sein. Die versetzte Anordnung
sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung gemäß
Fig. 6 ist besonders vorteilhaft. Der Grad des Versatzes
der Wabenkörper in Längsrichtung und in Querrichtung
beträgt vorzugsweise 1/3 bis 2/3 der Weite der Zellen 2,
2′ in der jeweiligen Richtung. Die Anzahl der überlappen
den Wabenkörper 3 wird je nach den Abmessungen des Raumes,
in dem die Keramikstruktur montiert werden soll oder
im Hinblick auf sonstige Bedingungen bestimmt.
Die Herstellung der überlappenden Wabenkörper-Anordnung
erfolgt vorzugsweise durch Trocknen und Sintern eines
keramischen Schlamms, der auf einer Wabenkörper-Anordnung
abgelagert ist, die aus mehreren der zuvor beschriebenen
Papier-Wabenkörper besteht, die an ihren Längsseiten
miteinander verbunden und mit in ähnlicher Weise ver
bundenen Wabenkörpern in gestaffelter Anordnung überein
andergeschichtet sind. Erforderlichenfalls können die
gestaffelt übereinanderliegenden Wabenkörper-Anordnungen
einstückig miteinander verbunden sein. Wenn die Struktur
auf einer Gießwanne montiert wird, so kann eine geeignete
Anzahl von Wabenkörper-Anordnungen 4 in versetzten Positionen
befestigt werden. Wenn jedoch eine einstückig verbundene
Anordnung als Filter für geschmolzenes Metall verwendet
wird, sollte die Gesamthöhe der Anordnung nicht mehr als
100 mm betragen, da andernfalls die thermischen Spannungen
infolge des Temperaturgefälles zwischen den oberen und
unteren Endbereichen (Einlaß und Auslaß) der zylindri
schen Zellen oder der Wabenkörper zunehmen könnten,
so daß die Wabenkörper Risse bekommen.
In Fig. 7 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen porösen keramischen Struktur
dargestellt, bei dem der oben beschriebene Wabenkörper
3 oder eine Wabenkörper-Anordnung 4 sandwichartig zwi
schen zwei rechteckigen plattenförmigen porösen Keramik
körpern 9 und 10 eingefügt ist, die eine dreidimensionale
Gitterstruktur aufweisen, so daß das durchströmende
Fluid wiederholt auf das Gitter auftrifft. Bei dieser
keramischen Struktur strömt das Fluid in Pfeilrichtung
in Fig. 7 durch eine freiliegende Oberfläche 11 auf
der stromaufwärtigen Seite eines ersten porösen kerami
schen Körpers 9, durch das Innere des ersten keramischen
Körpers 9, durch eine zweite oder mittlere Schicht, die durch
den Wabenkörper 3 gebildet wird, und durch einen dritten
porösen keramischen Körper 10, aus dem es an einer frei
liegenden Oberfläche 12 austritt.
Für die ersten und dritten keramischen Körper kann ein
schaumförmiges Keramikmaterial verwendet werden, das
in seinem Inneren eine dreidimensional verbundene offen
zellige Struktur aufweist. In diesem Fall hat das schaum
förmige Keramikmaterial vorzugsweise eine spezifische
Raumdichte von 0,25 bis 0,7, verbundene Hohlräume mit
einem mittleren Durchmesser von 0,2 bis 10 mm, eine
Porosität von 75 bis 95% und einen Luftdruckverlust von
0,1 bis 40 mm Wassersäule beim Durchtritt der Luft
durch eine Schichtdicke von 1 cm mit einer Geschwindig
keit von 1 m/s. Vorzugsweise sollte das schaumförmige
Keramikmaterial verbundene Hohlräume mit einem mittleren
Durchmesser von 1 bis 10 mm aufweisen, damit die Druck
verluste verringert werden.
Zur Herstellung eines derartigen schaumförmigen Keramik
materials ist es zweckmäßig, einen keramischen Schlamm
auf einen netzartigen, flexiblen Polyurethanschaum
ohne Zellmembranen aufzubringen, anschließend zu sintern
und den Polyurethanschaum durch Karbonisieren zu ent
fernen. Das in dieser Weise hergestellte schaumförmige
Keramikmaterial weist infolge der Struktur des zellmembran
losen, netzartigen Polyurathenschaums eine käfigartige
Struktur auf, die nur aus den Kantenbereichen regulärer
Dodekaeder besteht. Das Material besitzt eine im Hinblick
auf die Verringerung der Druckverluste ausreichende Poro
sität und in komplizierter Weise miteinander verbundene
innere Hohlräume, die einen intensiven Kontakt des durch
strömenden Fluids mit dem Gitter gewährleisten, so daß
die oben erwähnten Wirkungen erzielt werden.
Alternativ kann als poröses keramisches Material für
die ersten und dritten Schichten 9, 10 in Fig. 7 auch
eine sogenannte keramische Nadelstruktur verwendet
werden, die durch Extrudieren eines keramischen Schlamms
in Nadelform, Vernetzen oder Überlagern der Nadeln zu
einer porösen Struktur, die den geradlinigen Lichtdurch
tritt verhindert, und anschließendes Sintern dieser
Struktur hergestellt wird. Durch die Verwendung des
schaumförmigen oder nadelförmigen Keramikmaterials,
das den geradlinigen Lichtdurchtritt verhindert, für
die ersten und dritten Schichten 9, 10 ergibt sich insgesamt
eine poröse keramische Struktur, die einen wirksamen
Schutz gegen Abkühlung durch Strahlungsverluste bietet.
Das nadelförmige Keramikmaterial weist hinsichtlich der
spezifischen Raumdichte, des mittleren Durchmessers der
Hohlräume, der Porosität und des Luftdruckverlustes vor
zugsweise ähnliche Eigenschaften wie das zuvor erwähnte
schaumförmige Material auf.
Wahlweise ist es auch möglich, für die erste Schicht ein
schaumförmiges Keramikmaterial und für die dritte Schicht
ein nadelförmiges Keramikmaterial zu verwenden, oder um
gekehrt.
Die erste Schicht 9 auf der stromaufwärtigen Seite des
Wabenkörpers 3 sollte eine Dicke von weniger als 30 mm,
vorzugsweise weniger als 10 mm aufweisen, da anderenfalls
Risse oder Brüche infolge thermischer Spannungen auftreten
könnten. In solchen Fällen, in denen wegen eines starken
Temperaturgefälles über dem ersten keramischen Körper
auf der stromaufwärtigen Seite oder zwischen dem ersten
keramischen Körper und dem Wabenkörper mit starken ther
mischen Spannungen gerechnet werden muß, können in dem
ersten keramischen Körper Schlitze zur Verringerung
der thermischen Spannungen ausgebildet sein.
Der dritte keramische Körper auf der stromabwärtigen Seite
weist wegen der Abschottung gegenüber der Strahlungswärme
und wegen des Wärmeaustausches zwischen dem Fluid und
dem ersten keramischen Körper eine deutlich geringere
Temperatur als die erste Schicht auf der stromaufwärtigen
Seite auf. Da somit auch die Temperaturdifferenz zwischen
der Vorderseite und der Rückseite dieses dritten Körpers
geringer ist, besteht kaum die Gefahr einer Beschädigung
des dritten keramischen Körpers durch thermische Spannun
gen. Die dritte Schicht weist daher bevorzugt eine Dicke
von mehr als 10 mm auf, damit die isolierende Wirkung
gegenüber schleichenden Wärmeverlusten verbessert wird.
Bei der porösen keramischen Struktur mit dem oben beschrie
benen dreifachen Schichtaufbau werden die verschiedenen
thermischen Wirkungen der jeweiligen Schichten genutzt,
um die thermischen Spannungen zu verringern und eine
höhere Widerstandsfähigkeit der Struktur gegenüber ther
mischen Spannungen zu gewährleisten. Die in der ersten
Schicht auf der stromaufwärtigen Seite auftretenden
thermischen Spannungen werden durch die (mittlere) zweite
Schicht gemildert, die einen geringen Luft-Strömungs
widerstand und einen hohen Wärme-Kriechwiderstand auf
weist, so daß eine unmittelbare Übertragung thermischer
Spannungen von der ersten Schicht auf die dritte Schicht
verhindert wird.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem in den Wänden 2a der geneigten zylindrischen Zellen
2 Hohlräume 13 ausgebildet sind, die zu einem axialen
Ende der Zellen hin geöffnet sind.
In diesem Fall sind die Hohlräume 13 in Längsrichtung in
den Umfangswänden 2a der jeweiligen zylindrischen Zellen
2 in Verbindung mit den Hohlräumen der angrenzenden Zellen
2 ausgebildet. Wie ferner in Fig. 8 zu erkennen ist,
sind die Hohlräume 13 durchgehend von einem axialen
Ende der Zellwand 2a bis zu einem Punkt in der Nähe der
anderen Stirnfläche des Wabenkörpers ausgebildet. Die Zell
wände 2a sind somit als Hohlwände ausgebildet, und die
beiden parallelen Wandabschnitte der Hohlwand sind an
einem Ende miteinander verbunden und am anderen Ende
freistehend voneinander getrennt. Hierdurch wird erreicht,
daß die Zellwände an den getrennten, freien Enden eine
größere Beweglichkeit in Querrichtung der Zellen aufweisen,
so daß thermische Verformungen in größerem Ausmaß aus
geglichen werden können.
Da der oben beschriebene Wabenkörper 3 mit Hohlräumen 13
in den Zellwänden 2a versehen ist, die eine vollständige
Zweiteilung der Zellwände bewirken und an einem axialen
Ende der Zellen nach außen hin geöffnet sind, sind die
freien Enden der zweigeteilten Zellwände leicht in
Querrichtung beweglich, so daß thermische Verformungen
aufgenommen werden können. Hierdurch werden thermische
Spannungen in besonders wirksamer Weise verteilt, so
daß eine Beschädigung des Wabenkerns 3 selbst bei einem
beträchtlichen thermischen Schock vermieden wird, der
bei einer starken Temperaturdifferenz infolge eines Tempe
raturanstiegs oder eines Temperaturabfalls auftritt.
Die hohlen Zellwände bei der porösen keramischen Struktur
gemäß Fig. 8 und 9 sind nicht auf eine bestimmte
Gestalt beschränkt. Es ist jedoch vorteilhaft, die Hohl
räume durchgehend von einem Ende der Zellwände bis zu
einer Position in der Nähe des anderen Endes der Zellwand
auszubilden, wie in Fig. 9 gezeigt ist. In diesem Fall
haben die Hohlräume bevorzugt eine Breite im Bereich von
1/10 bis 1/2 der Dicke der Zellwand und eine Tiefe im
Bereich von 9/10 bis 3/10 der Höhe der Zellwand.
Der keramische Wabenkörper mit derartigen Hohlräumen in
den Zellwänden kann beispielsweise hergestellt werden,
indem keramischer Schlamm auf ein Kernmaterial aufge
tragen wird, das eine ähnliche Form wie der in Fig. 1
gezeigte Wabenkörper aufweist. Nach dem Trocknen des
aufgebrachten keramischen Schlamms wird der Schlamm
an einem axialen Ende entfernt, bis das Kernmaterial
freiliegt, und die in diese Weise gebildete ungebrannte
Struktur wird gesintert. Das Kernmaterial wird bei dem
Sinterungsprozeß durch Ausschwelen oder Karbonisieren
entfernt, so daß die Hohlräume in der gesinterten kera
mischen Struktur zurückbleiben. Es ist auch möglich,
das Keramikmaterial an einem Ende des Wabenkörpers zu
entfernen und die Hohlräume nach dem Sintern und Karbo
nisieren des Kernmaterials zu entfernen. Bei diesem
Verfahren besteht jedoch unter Umständen der Nachteil,
daß der keramische Wabenkörper beschädigt wird.
Bei der Verwendung als gasdurchlässiger Wärmeisolator
kann die oben beschriebene poröse keramische Struktur
in beliebiger Weise angeordnet werden. Es ist jedoch
zweckmäßig, die offenen Enden der Hohlräume zur strom
aufwärtigen Seite der Fluidströmung, d. h. zur Hochtempera
turseite hin auszurichten. Wenn die offenen Ende der Hohl
räume, die leicht thermisch verformbar sind, der Hochtem
peraturseite zugewandt sind, so können die infolge der
Temperaturdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und
der stromabwärtigen Seite auftretenden thermischen
Spannungen in günstiger Weise verteilt werden, so daß
ein Bruch oder Riß des Wabenkörpers verhindert wird.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin
dung, bei der ein mit Hohlräumen in den Zellwänden ver
sehener keramischer Wabenkörper entsprechend dem Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 8 und 9 auf der Seite,
an der die Hohlräume geschlossen sind, mit einem porösen
keramischen Körper 14 versehen ist. Bei der Verwendung
dieser porösen keramischen Struktur als gasdurchlässiger
Wärmeisolator ist der Wabenkörper oder die Wabenkörper-
Anordnung auf der stromaufwärtigen Seite oder Hochtempera
turseite angeordnet, und der poröse keramische Körper
14 befindet sich auf der stromabwärtigen Seite, die eine
niedrigere Temperatur aufweist. Auch in diesem Fall
werden die durch Temperaturunterschiede hervorgerufenen
thermischen Spannungen durch die Hohlräume in den
Zellwänden des Wabenkörpers verringert. Durch den oben
beschriebenen zweischichtigen Aufbau wird darüber hinaus
die direkte Übertragung der thermischen Spannungen von
dem Wabenkörper auf den stromabwärtigen keramischen
Körper vermieden, so daß die thermischen Spannungen ver
ringert werden, die zu einem Bruch des porösen keramischen
Körpers führen könnten.
Für den porösen keramischen Körper 14 kann das weiter
oben beschriebene schaumförmige oder nadelförmige Keramik
material verwendet werden.
Claims (7)
1. Poröses keramisches Element, gekennzeichnet
durch wenigstens einen keramischen Wabenkörper (3), der
durch aufeinanderfolgend in einer Reihe ausgerichtete Paare
geneigter zylindrischer Zellen gebildet ist, die jeweils
nach Art einer schräggestellten Ziffer "8" angeordnet sind
und bei dem jede einzelne Zelle eine Weite von 5 bis 30 mm,
eine Höhe von 10 bis 100 mm und einen Neigungswinkel von
20 bis 70° aufweist.
2. Keramisches Element nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die benachbarten Zellen (2,
2′) des Wabenkörpers (3) durch Durchbrüche (6) in den
Zellwänden (2) miteinander verbunden sind.
3. Keramisches Element nach Anspruch 1 oder 2, ge
kennzeichnet durch wenigstens zwei stapelförmig
übereinander angeordnete Lagen von Wabenkörpern (3).
4. Keramisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (3) oder
mehrere nebeneinanderliegende Wabenkörper (3) sandwich
artig zwischen äußeren porösen keramischen Körpern (9,
10) angeordnet sind, die eine dreidimensional verbundene
offenzellige Struktur aufweisen.
5. Keramisches Element nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens einer der porösen
keramischen Körper (9, 10) aus einem schaumförmigen Keramik
material mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur besteht.
6. Keramisches Element nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß wenigstens einer der porösen
keramischen Körper (9, 10) durch eine Struktur aus einander
überlappenden und miteinander verbundenen keramischen
Nadeln gebildet ist.
7. Keramisches Element nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß in den Zellwänden (2a) des
Wabenkörpers (3) Hohlräume (13) ausgebildet sind, die
zu einer Stirnseite des Wabenkörpers hin geöffnet sind.
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