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GEBIET DER NEUERUNG
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Die Neuerung betrifft Anordnungen für den Zusammenbau von Brennkapseln, die für Hochtemperaturbehandlungen genutzt werden, wie zum Beispiel zum Brennen von Keramik, Metall, Pulver-Kalzinierungen oder der Isolierschaumherstellung.
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HINTERGRUND DER NEUERUNG
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Brennkapseln sind keramische, kastenförmige Behälter, die als Verkapselung oder Schutz beim Brennen von Keramikware in Öfen verwendet werden. Ferner bei der Pulver-Kalzinierung zum Fixieren des zu kalzinierenden Pulvers oder bei der Isolierschaumherstellung zum Halten der Lasten sowie bei der Wärmebehandlung von Metall. Herkömmlicherweise wurden Brennkapseln hauptsächlich aus Schamott hergestellt. Brennkapseln werden als Schutz ihres Inhalts gegen offenes Feuer, Rauch, Gase und Brennbruch verwendet. Moderne Brennkapseln werden aus unterschiedlichem, speziell konzipiertem Keramikmaterial hergestellt, wie zum Beispiel Aluminiumoxidkeramik, Cordieritkeramik, Mullitkeramik, Zirkonoxidkeramik, Magnesiumoxidkeramik, Aluminiumoxid-Magnesiaspinell-Keramik, synthetischer Quarzglaskeramik, Aluminiumtitanatkeramik und Siliziumkarbidkeramik.
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Üblicherweise bestanden Brennkapseln, die kommerziell genutzt wurden, aus formfesten, rechteckigen Kästen eines einheitlichen Typs, die oben offen waren, um darin grüne Keramikartikel zu lagern, die hinterher gebrannt werden sollten. Diese Brennkapseln waren so geformt, dass sie vertikal im Brennofen angeordnet wurden. Konventionelle Brennkapseln können sich bei extremen Temperaturänderungen entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Sehr oft verändern sie auch ihre Form, so dass es schwierig ist, sie zu stapeln oder sie können auch brechen. Wirtschaftlich ist es nicht sinnvoll, solche Brennkapseln zu reparieren.
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In vielen Fällen werden Brennkapseln bei Wärmebehandlungen verwendet, wobei sehr schnell erhitzt oder abgekühlt wird, so dass Hochtemperaturgradienten in den Brennkapseln auftreten können, welche dann zu Rissen führen. Im Falle von kastenförmigen Feststoffen führt dies im Allgemeinen zu einer realisierbaren Größenobergrenze, während größere Brennkapseln erforderlich wären. Außerdem ist die Korrosionsbeständigkeit bei extremen Temperaturen für Brennkapseln ein generelles Problem.
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Die
US-Patentschrift 4,008,997 offenbart keramische Brennkapseln, die aus einem quadratischen Bodenbereich und vier identischen Seitenwandbereichen bestehen, die jeweils an einem Ende mit einem Flansch und einer Flanschdose auf der gegenüberliegenden Seite, sowie einem Boden-Abstützflansch versehen sind. Die Seitenwandbereiche werden formschlüssig verriegelt, so dass sich eine quadratische Form ergibt und der Bodenbereich wird dann auf den Boden dieses Quadrats abgesenkt. Da die Grundplatte lediglich auf den Boden-Abstützflanschen aufliegt, ist die zusammengebaute Brennkapsel unstabil. Außerdem ist es unvermeidlich, dass sich Zwischenräume zwischen der Grundplatte und den Wandbereichen bilden, so dass dieser Aufbau dann ungeeignet für bestimmte Belastungen ist, wie zum Beispiel Pulver-Kalzinierungen. Ungeachtet des optionalen Vorhandenseins von Zwischenräumen zwischen diesen Flanschen und den Flanschdosen, die eigentlich das Auftreten von thermischen Spannungen vermeiden sollten, löst dies nicht das Problem mit den Größenobergrenzen von Brennkapseln.
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Aus diesem Grund führt der Stand der Technik hier zu Problemen.
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KURZBESCHREIBUNG DER NEUERUNG
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Die oben erwähnten Nachteile werden durch die Neuerung entsprechend der beigefügten Ansprüche beseitigt.
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Bei einer Ausführungsform liefert die Neuerung den Aufbau für eine Hochtemperatur-Brennkapsel, die ein rechteckiges Basiselement sowie einen ersten und zweiten Satz von zwei rechteckigen Wandelementen umfasst. Entsprechend der Neuerung beinhaltet das rechteckige Basiselement Verbindungsstücke an zwei gegenüberliegenden Seiten, um diese mit den beiden rechteckigen Wandelementen des ersten Satzes von rechteckigen Wandelementen an den gegenüberliegenden Seiten zu verbinden. Die beiden rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes haben jeweils ein Verbindungsstück an den ersten Kanten, wo diese an den gegenüberliegenden Seiten mit dem rechteckigen Basiselement verbunden sind. Die beiden rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes umfassen jeweils zwei Aussparungen an der zweiten Kante, die der ersten Kante gegenüberliegt, und in der Nähe jeden Endes der zweiten Kante der rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes. Die beiden rechteckigen Wandelemente des zweiten Satzes umfassen jeweils zwei ohrförmige Überstände an zwei nebeneinanderliegenden Ecken der rechteckigen Wandelemente, um diese mit den Aussparungen der rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes zu verbinden. Im montierten Zustand ergibt der Aufbau gemäß der Neuerung eine oben offene, kastenförmige Brennkapsel, bei der die rechteckige Grundplatte als Basis dient und die rechteckigen Wandelemente die Außenwände bilden.
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Bei einer Ausführungsform haben die beiden rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes zusammen mit den Verbindungsstücken im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt. Durch diese Form wird die Stabilität der Brennkapsel in montiertem Zustand erhöht.
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Bei einer Ausführungsform sind die Verbindungsstücke der rechteckigen Grundplatte und der beiden rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes Längs-Verbindungsstücke, die die entsprechenden Seiten der Grundplatte und die Kanten der Wandelemente verlängern. Die Verbindungsstücke bilden zusammen eine formschlüssige Verriegelung in montiertem Zustand. Die Verbindungsstücke können so konzipiert sein, dass bei der formschlüssigen Verriegelung eine Lücke entsteht, die mit Keramik-Leim aufgefüllt werden kann. Diese Verbindungsstücke und der Keramik-Leim führen zu einer verbesserten Stabilität der Brennkapsel in montiertem Zustand.
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Bei einer Ausführungsform sind die Aussparungen der beiden rechteckigen Wandelemente des ersten Satzes und die Ohrstücke der beiden rechteckigen Wandelemente des zweiten Satzes so geformt, dass eine formschlüssige Verriegelung in montiertem Zustand erfolgt. Um dies zu ermöglichen, müssen sich die Aussparungen in der Nähe der Kantenenden der jeweiligen Wandelemente befinden, damit im montierten Zustand die überstehenden Ohrstücke der beiden nebeneinanderliegenden Ecken der rechteckigen Wandelemente des zweiten Satzes dann in die Aussparungen des ersten Satzes hereinragen können.
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Bei einer Ausführungsform haben die rechteckige Grundplatte und die beiden rechteckigen Einzelteile dieser Sätze Stiftlöcher, die Anordnung umfasst ferner Keramik-Stifte. Die Stiftlöcher in der Grundplatte und die Seitenteile des ersten Satzes sind so angeordnet, dass die rechteckigen Wandelemente des zweiten Satzes an der rechteckigen Grundplatte und den beiden rechteckigen Einzelteilen des ersten Satzes mit Hilfe dieser Keramik-Stifte in montiertem Zustand befestigt werden können. Hierdurch werden Stabilität und Korrosionsbeständigkeit der Brennkapsel in montiertem Zustand verbessert.
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Bei einer Ausführungsform umfassen die beiden rechteckigen Einzelteile des ersten Satzes eine längsgerichtete Verlängerung an ihren ersten Kanten, gegenüber den Verbindungsstücken und parallel zur rechteckigen Grundplatte, im montierten Zustand. Im montierten Zustand dienen diese Verlängerungen als Distanzstücke zu benachbarten, in Betrieb befindlichen Brennkapseln, zum Beispiel bei einem Roll-Ofen beim Laufen auf Rollen. Die montierten Brennkapseln werden hierdurch bei Kollisionen gegen physische Beschädigungen geschützt.
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Bei einer Ausführungsform können entweder die rechteckige Grundplatte oder die rechteckigen Wandelemente aus mehreren Unterteilungen bestehen, die dann im montierten Zustand wiederum durch Unterverbindungen miteinander verbunden sind. Diese Unterverbindungen können kooperierende Verbindungsstücke sein, die zusammen eine formschlüssige Verriegelung in montiertem Zustand bilden, ähnlich wie bei den Verbindungsstücken zwischen der rechteckigen Grundplatte und den rechteckigen Wandelementen des ersten Satzes. Hierdurch wird die Hitzebeständigkeit im montierten Zustand verbessert.
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Bei einer Ausführungsform können die rechteckige Grundplatte und/oder die rechteckigen Wandelemente aus Hohl-Strangpress-, Massivteilen oder einer Kombination beider gefertigt sein. Der Vorteil von Hohl-Strangpressteilen ist das geringe Gewicht und demzufolge eine reduzierte Wärmekapazität und -beständigkeit gegen Temperaturwechsel, wohingegen Massivteile eine bessere mechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit im montierten Zustand aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform können die Aufbauteile aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Cordierit, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Magnesiaspinell, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Aluminiumsilikat, Aluminiumtitanat, synthetischem Quarzglas oder Mischungen und Kombinationen dieser Materialien gefertigt sein.
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Bestandteil dieser Neuerung ist ebenfalls eine Brennkapsel, die durch die Anordnung gemäß der Neuerung aufgebaut wurde. Die Brennkapseln gemäß der Neuerung sind stapelbar und Schnittstellen zwischen den Aufbauteilen können mit einem Dichtungsmittel, wie zum Beispiel Keramik-Leim, aufgefüllt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Neuerung wird nun detailliert mit Abbildungen von Ausführungsformen sowie Referenzen zu den anliegenden Abbildungen beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus gemäß der Neuerung im montierten Zustand;
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Teil einer kastenförmigen Brennkapsel, die durch die Anordnung gemäß der Neuerung aufgebaut wurde;
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß der Neuerung in teilmontiertem Zustand;
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß der Neuerung, wobei die rechteckige Grundplatte aus drei Einzelteilen besteht, die miteinander durch Unterverbindungen verbunden sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER NEUERUNG
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1 zeigt eine kastenförmige Brennkapsel entsprechend der vorliegenden Neuerung, die mittels einer Anordnung gemäß der Neuerung aufgebaut wurde. Es ist zu sehen, dass das rechteckige Basiselement 1 und die rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes miteinander durch die Längs-Verbindungsstücke 11, 11', 12 und 12' auf den gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Basiselements 1 sowie eine Kante der jeweiligen rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes verbunden sind. Die Längs-Verbindungsstücke 16 und 16' als Distanzstücke zum Schutz gegen benachbarte, in Betrieb befindliche Brennkapseln, werden ebenfalls gezeigt. Weitere Details hierzu sind aus 2 zu entnehmen. Wie in 3 zu sehen, werden die rechteckigen Wandelemente 3 und 3' des zweiten Satzes über die Ohrstücke 13 und 13' und die Aussparungen 14 und 14' mit den rechteckigen Wandelementen 2 und 2' des ersten Satzes verbunden.
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Bei einem Montageaufbau entsprechend dieser Neuerung hat es sich herausgestellt, dass so größere Brennkapseln hergestellt werden können, ohne die bekannten Probleme mit Rissbildungen oder auch Brüchen von Brennkapseln während des Betriebs, die durch Temperaturwechsel hervorgerufen werden. Wahrscheinlich liegt das daran, dass die Brennkapsel-Teile in montiertem Zustand auf lose oder flexible Art miteinander verbunden sind, so dass eine freie Wärmeausdehnung der Teile gewährleistet ist und somit das Auftreten hoher Eigenspannungen vermieden wird. Entsprechend dieser Neuerung können kastenförmige Brennkapseln einer Größe bis zu 1000 mm × 800 mm × 200 mm hergestellt werden, die während des Betriebs eine bessere Hitzebeständigkeit und damit Haltbarkeit aufweisen.
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Das hier beschriebene rechteckige Basiselement 1 kann entweder rechteckig oder quadratisch sein. Die Größe des rechteckigen Basiselements kann variieren, ist aber den Abmessungen der rechteckigen Seitenteile 2, 2', 3 und 3' bei der Montage anzupassen. So kann beispielsweise das rechteckige Basiselement circa 600 mm × 600 mm oder circa 800 mm × 600 mm und bis zu circa 1000 mm × 800 mm groß sein.
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Die hier beschriebenen rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes haben eine im Wesentlichen rechteckige Form. Es ist jedoch festzustellen, dass jedes rechteckige Wandelement 2 und 2' des ersten Satzes in Kombination mit einem Verbindungsstück 12 und 12' von einer seiner Kanten ausgehend einen rechten Winkel in Längsrichtung bildet und einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt hat. Im montierten Zustand ist dann die Wand, die aus den Elementen 2 und 2' des ersten Satzes gebildet wird, rechteckig. Die Größe der rechteckigen Wände, die sich im montierten Zustand durch die rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes ergibt, kann variieren, ist jedoch der Größe der rechteckigen Grundplatte 1 sowie der rechteckigen Wandelemente 3 und 3' des zweiten Satzes anzupassen. Sie können zum Beispiel circa 600 mm × 150 mm, circa 600 mm × 200 mm, circa 800 mm × 200 mm oder bis zu circa 1000 mm × 200 mm groß sein.
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Die hier beschriebenen rechteckigen Wandelemente 3 und 3' des zweiten Satzes weisen eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Die Größe der rechteckigen Wände, die sich im montierten Zustand durch die rechteckigen Wandelemente 3 und 3' des zweiten Satzes ergibt, kann variieren, ist jedoch der Größe der rechteckigen Grundplatte sowie den rechteckigen Wandelementen 2 und 2' des ersten Satzes anzupassen. Sie können zum Beispiel circa 600 mm × 150 mm, circa 600 mm × 200 mm, circa 800 mm × 200 mm oder bis zu circa 1000 mm × 200 mm groß sein.
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Gemäß der vorliegenden Neuerung können von den Verbindungsstücken 11, 11', 12 und 12' zwischen der rechteckigen Grundplatte 1 und den rechteckigen Wandelementen 2 und 2' des ersten Satzes Teile überlappen, die sich in Längsrichtung an der Seite der rechteckigen Grundplatte 1 befinden, beziehungsweise jeweils eine Kante der rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes. Diese Überlappungen können so geformt sein, dass sie miteinander in Eingriff kommen, damit eine formschlüssige Verriegelung in montiertem Zustand erfolgt. Die Verbindung kann eine Schiebeverbindung sein. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Verbindung ausreichend Flexibilität zwischen den einzelnen Elementen gewährleistet, um einen Temperaturschock zu vermeiden. Gleichzeitig erhält die kastenförmige Brennkapsel eine gute physikalische Stabilität im montierten Zustand. Dies ist in 2 gezeigt.
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Der Zwischenraum zwischen den verbundenen Elementen kann mit einem Dichtungsmittel, wie zum Beispiel Keramik-Leim, aufgefüllt werden. Hierdurch werden die Dichteigenschaften der montierten Brennkapsel verbessert, was speziell in Bezug auf bestimmte Beschickungen, wie zum Beispiel Pulver-Kalzinierungen wichtig ist, wohingegen gleichzeitig bei Wärmebelastung der eventuelle Schaden auf die Dichtmasse begrenzt ist und nicht die Bauteile der Brennkapsel betrifft.
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Wie in 1 und 3 dargestellt, sind die Ohrstücke 13 und 13', beziehungsweise die Aussparungen 14 und 14' der rechteckigen Wandelemente 2, 2' , 3 und 3' des ersten und zweiten Satzes so angeordnet, dass sie im montierten Zustand beim Aufbau einer kastenförmigen Brennkapsel miteinander verbunden sind. Die Ohrstücke 13 und 13' sind so angeordnet, dass sie an den Kanten der rechteckigen Wandelemente 3 und 3' des zweiten Satzes so überstehen, dass sie in die jeweiligen Aussparungen 14 und 14' der rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes hineinragen können, so dass eine formschlüssige Verriegelung in montiertem Zustand erfolgt. Anordnung und Größe von Ohrstücken und Aussparungen werden dementsprechend angepasst. Es hat sich herausgestellt, dass durch diese spezielle Anordnung die Wärmebelastung während des Betriebs minimiert wird. Gleichzeitig erhält die kastenförmige Brennkapsel eine bessere physikalische Stabilität im zusammengebauten Zustand.
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Wie in den 2 und 3 dargestellt, können die rechteckigen Wandelemente 2 und 2' des ersten Satzes und die rechteckige Grundplatte 1 außerdem Stiftlöcher haben, um die rechteckigen Wandelemente des zweiten Satzes daran mit den Keramik-Stiften 15 und 15' zu fixieren. Diese Stiftlöcher sind in den besagten Teilen auf Linien mit derselben Ausrichtung anzuordnen wie die rechteckigen Wandelemente 3 und 3' des zweiten Satzes, so dass sich daraus in montiertem Zustand eine kastenförmige Brennkapsel ergibt. Insbesondere sind die Stiftlöcher in regelmäßigen Abständen auf diesen Linien anzubringen, und zwar so nah wie möglich an der rechteckigen Wand, die durch das rechteckige Wandelement des ersten Satzes gebildet wird. Beim Montieren mit den Stiften in die Stiftlöcher wird die Stabilität der zusammengebauten, kastenförmigen Brennkapsel verbessert. Zusätzlich erzielt man an den Passflächen von Stiften und Stiftlöchern zusätzliche Flexibilität, um Wärmebelastung zu reduzieren. Die Zwischenräume zwischen den Stiftlöchern und den Stiften können mit einem Dichtungsmittel, wie zum Beispiel Keramik-Leim, aufgefüllt werden. Hierdurch werden die Dichteigenschaften der zusammengebauten Brennkapsel verbessert, was speziell in Bezug auf bestimmte Beschickungen, wie zum Beispiel Pulver-Kalzinierungen wichtig ist, wohingegen gleichzeitig bei Wärmebelastung eine Beschädigung auf die Dichtmasse begrenzt ist und nicht die Bauteile der Brennkapsel betrifft.
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Gemäß dieser Neuerung können die verschiedenen Aufbauteile aus geeigneten Materialien, die den Fachleuten bekannt sind, wie zum Beispiel Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Cordierit, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Magnesiaspinell, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Zirkonsilikat, Aluminiumsilikat, Aluminiumtitanat, synthetischem Quarzglas oder Mischungen dieser Materialien gefertigt sein. Unterschiedliche Aufbauteile können aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, um eine Materialkombination zu erhalten. Die Materialien können auf Basis der spezifischen Anforderungen ausgewählt werden, wie beabsichtigtes Wärmeprofil, Höchsttemperatur, Lademasse, zu beladendes Material, oder Ladekonsistenz, wie zum Beispiel fest oder partikulär. Entsprechend der vorliegenden Neuerung können die Materialien der Aufbauteile korrosionsbeständig beschichtet werden, um die Korrosionsbeständigkeit während des Betriebs zu verbessern.
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Wie in 4 dargestellt, kann das Grundelement aus den diversen Einzelteilen 1', 1'' und 1''' bestehen, die im zusammengebauten Zustand durch die Verbindungsstücke 11'' und 11''' miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsstücke können in Bezug auf die Struktur ähnlich oder identisch sein mit den Verbindungsstücken zwischen Basiselement 1 und den rechteckigen Wandelementen 2 und 2' des ersten Satzes. Das gleiche gilt für die rechteckigen Wandelemente 2, 2', 3 und 3' des ersten und/oder zweiten Satzes. Dies ist sehr nützlich bei großen Teilen, da die Hitzebeständigkeit der Teile verbessert und damit auch die Haltbarkeit der zusammengebauten Brennkapsel erhöht wird. In diesem Fall können zudem die Zwischenräume zwischen den Verbindungsstücken mit einem Dichtungsmittel, wie zum Beispiel Keramik-Leim, aufgefüllt werden.
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Gemäß der vorliegenden Neuerung können die verschiedenen Aufbauteile entweder aus Hohl-Strangpress- oder Massiv-Ganzteilen gefertigt sein. Eine Kombination aus Hohl- und Massivteilen kann ebenfalls verwendet werden. Massivteile haben eine bessere physikalische Stabilität, wohingegen Hohlteile sich durch eine bessere Temperaturbeständigkeit auszeichnen. So kann es zum Beispiel bei schwerer Beladung vorteilhaft sein, massive Basisteile zu verwenden, um die Festigkeit zu erhöhen. Bei Materialien, die schnell erhitzt und wieder abgekühlt werden, können Hohlteile vorteilhaft sein.
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Es ist festzustellen, dass die vorliegende Offenbarung alle Kombinationen von Eigenschaften und/oder Einschränkungen, die hier erwähnt werden, beinhaltet. Hiervon ausgenommen sind lediglich die Kombinationen, deren Eigenschaften sich gegenseitig ausschließen. Die vorherige Beschreibung bezieht sich auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Neuerung, die der Beschreibung dienen. Für Fachleute ist es jedoch augenscheinlich, dass zusätzlich zu den hier beschriebenen Ausführungsformen viele Abänderungen und Variationen möglich sind. Alle solchen Abänderungen und Variationen erfolgen im Rahmen dieser Neuerung, wie dies in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1'', 1'''
- rechteckiges Basiselement;
- 2, 2'
- rechteckige Wandelemente des ersten Satzes;
- 3, 3'
- rechteckige Wandelemente des zweiten Satzes;
- 11, 11', 11'', 11'''
- Längs-Verbindungsstücke des rechteckigen Basiselements;
- 12, 12'
- Längs-Verbindungsstücke des rechteckigen Wandelements des ersten Satzes;
- 13, 13'
- Ohr-Stücke des rechteckigen Wandelements des zweiten Satzes;
- 14, 14'
- Aussparungen des rechteckigen Wandelements des ersten Satzes;
- 15
- Keramik-Stifte;
- 16, 16'
- längsverlaufende Verlängerungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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