DE2705123A1

DE2705123A1 - Mehrfluidstroemungskoerper und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE2705123A1
Application number: DE19772705123
Authority: DE
Inventors: Everett Frank Kelm; Dale Adrian Noll; Giacomo James Piazza; Robert Lacey Young
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1976-02-24
Filing date: 1977-02-08
Publication date: 1977-09-01
Also published as: FR2342122B1; DE2705123C2; GB1566029A; FR2342122A1; JPS52103058A

Description

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N. Y., USA

Mehrfluidströmungskörper und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft Körper zum getrennten Durchlauf von zwei oder mehreren Fluidströmungen (Mehrfluidströmungskörper), die beispielsweise als Wärmeaustauscher, Rekuperatoren für Turbinen, Verbrennungskraftmaschinen, Abgaskontrollgeräte, aber auch in poröser Ausführung als Osmose- und Filtergeräte günstig verwendbar sind, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Besondere Bedeutung kommt den Mehrfluidströmungskörpern als Wärmeaustauscher in Gasturbinen oder Verbrennungskraftmaschinen mit Aussenverbrennung (Sterlingmotoren und dergleichen) zu. In einer Gasturbine wird das Luft-Brennstoffgemisch in einer Verbrennungskammer zu heissen Gasen umgesetzt, welche das Turbinenrad antreiben, wobei ihnen zur besseren Leistungsausnutzung noch vor Verlassen der Maschine

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die noch verbleibende Wärmeenergie entzogen werden soll, z. B. durch Wärmeaustausch der dadurch vorheizbaren Kaltluft. Hierzu werden bisher meist Rotationsgeneratoren verwendet. Der zylindrische, rotierende Kern besteht meist aus Keramik und ist porös ausgebildet, um einen im Wesentlichen parallelen Strömungsweg zur Rotationsachse zu erhalten. Das den Rotor umgebende Gehäuse ist in mehrere Strömung sie itungen unterteilt. Die heissen Abgase und die kühlere, komprimierte, angesaugte Luft fliessen durch diese Leitungen und den Regenratorkern, wobei die Kaltluft die von den heisseren Gasen abgegebene Wärmeenergie absorbiert.

Nachteilig ist die aufwendige und störanfällige Ausbildung dieser mehrere bewegliche Teile, besondere Gehäuse und Abdichtungen zwischen Rotor und Gehäuse, zur Kraftmaschine und zwischen den einzelnen Kernteilen und Leitungen erfordernden Rotationsgeneratoren. Das verwendete Material muss wärmeschock- und verschleissfest sein, soll leichtes Gewicht besitzen, druckfest gegen den Fluiddruck sowie gut abdichtbar sein. Dies schränkt das verwendbare Material sehr eng ein und verteuert die Herstellung und Unterhaltung.

Demgegenüber hat die Erfindung MehrfluidStrömungskörper mit mannigfaltiger, insbesondere auch Wärmeaustauscher einschliessender Verwendbarkeit vereinfachter, bewegliche Teile

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ausschliessender Ausbildung, grösserer Beweglichkeit bei der Materialauswahl und grösserer Einfachheit in Aufbau und Herstellung zur Aufgabe.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines Mehrfluidströmungskörpers der Erfindung dadurch gelöst, dass ein dünnwandiger Wabenkörper mit einer Vielzahl zwischen zwei Endflächen verlaufender, beidseitig offener, durch parallel zu den Zellachsen verlaufende obere, untere und Seitenflächen begrenzte Zellen gebildet wird, in welchem die Zellen zu einer Vielzahl von Zellsäulen gruppiert sind, und die Zellsäulen durch je eine, als Strömungsbarriere dienende kontinuierlich von der oberen bis zur unteren Zeilbegrenzungsfläche und von einer bis zur anderen Endfläche des Wabenkörpers verlaufende Wandfläche von einander getrennt sind, in ausgewählten Zellsäulen nahe wenigstens einer Endfläche des Wabenkörpers durch Entfernung von Grenzflächen und Zellwandteilen in wenigstens jeweils einer der Grenzflächen StrömungsÖffnungen und von diesen und wenigstens einer Endfläche zu den Zellen in den gewählten Zellsäulen Strömungsrillen gebildet werden, und durch Abdichten der Strömungsrillen nahe einer Endfläche des Wabenkörpers und Bildung von Strömungsleitungen erste, von den Öffnungen über die Leitungen und Zellen in den gewählten Zellsäulen bis zu ihren anderen offenen Enden verlaufende Strömungswege für ein erstes Fluidmittel und zweite, durch Zellen

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mit offenen Enden in den nicht ausgewählten Zellsäulen verlaufende Strömungswege für ein zweites Pluidmittel gebildet werden.

Nach weiterer günstiger Ausgestaltung des Verfahrens wird in der Weise vorgegangen, dass die offenendigen Zellen an beiden Endflächen des Körpers mit einem in die Zellen bis zu einer bestimmten Tiefe eindringenden und umkehrbar steif werdenden Schutzmittel verschlossen werden, durch Entfernen von Teilen der Zellwände und der oberen und/oder unteren Begrenzungsfläche zwischen benachbarten Fluidbarrierewänden in ausgewählten Zellsäulen an beiden Enden des Körpers in den ausgewählten Zellsäulen Rillen oder Kanäle bestimmter Tiefe gebildet, und durch Auffüllen der Rillen oder Kanäle mit einem endgültigen Verschlussmaterial bis zu einer Tiefe, die kleiner als die Tiefe der Rillen oder Kanäle ist, diese "Fluidleitungen mit wenigstens einem offenen Ende umgebildet werden.

Ein unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellter Mehrfluidströmungskörper ist günstig verwendbar beispielsweise als Wärmeaustauscher, Rekuperator und dergleichen, insbesondere auch in Verbrennungskraftmaschinen, Turbinen, Verbrennungsmotoren mit Aussenverbrennung;, Sterlingmotoren und dergleichen. Weitere günstige Ausbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus der Beschreibung und den Unteransprüchen.

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Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Die Fig. 1 einen Mehrfluidströmungskörper der Erfindung mit Abzügen für zwei Fluidmittel (entsprechende Einzüge sind in der Figur weggelassen);

die Fig. 2 den Körper der Fig. 1 in Endansicht, aber ohne den Abzug für ein zweites Fluidmittel;

die Fig. 3 den Querschnitt durch eine nicht ausgewählte Zellsäule des Körpers nach Fig. 1, für ein zweites Fluidmittel;

die Fig. 4 den Querschnitt durch eine ausgewählte Zellsäule, die Fluidleitungen und die Endabdichtungen des Körpers nach Fig. 1, für das erste Fluidmittel·,

die Fig. 5 den Querschnitt durch eine ausgewählte Zellsäule eines mit einer mittleren Fluidbarriere versehenen, den Körper in eine obere und untere Einheit teilenden und damit für drei Fluidmittel geeigneten Wabenkörpers;

die Fig. 6 in Endansicht einen durch Stapelung einzelner Schichten (nicht als Ganzes extrudierten) Wabenkörpers;

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die Fig. 7 einen Mehrfluidströmungs-Wabenkörper mit seiner oberen Begrenzungsfläche und Einsicht in die Einlassöffnungen und Fluidleitungen abwechselnd ausgewählter Zellsäulen nahe einer Endfläche des Körpers;

die Fig. 8 die Ansicht einer Endfläche eines Mehrfluidströmungs-Wabenkörpers mit abwechselnd verschlossenen und offenen Zellsäulen;

die Fig. 9 den Schnitt durch nicht ausgewählte Zellsäulen des Körpers nach Fig. 7 mit den von einer bis zur anderen Endfläche des Körpers offenen Zellen für ein zweites Fluidmittel;

die Fig. IO den Schnitt durch ausgewählte Zellsäulen des Körpers nach Fig. 7 mit Z-förmigen Strömungswegen für das erste Fluidmittel durch eine Einlassöffnung in der oberen Begrenzungsfläche des Körpers, die verkürzten Zellen der Säulen und eine Auslassöffnung in der unteren Begrenzungsfläche am entgegengesetzten Ende des Körpers; ebenfalls gezeigt sind die Abdichtungen an den Endflächen der ausgewählten Säule;

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die Fig. 11 in Endansicht einen nach der US-PS 3,112,184 geschichteten, erfindungsgemäss ebenfalls ausgestaltbaren Wabenkörper.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Mehrströmungskörper der Erfindung in Form eines Wabenkörpers 1 mit einem Abzug 20 für ein erstes Fluidmittel und einem Abzug 25 für ein zweites Fluidmittel. Nicht gezeigt sind die entsprechenden Einzüge an den den Abzügen jeweils gegenüberliegenden Enden des Wabenkörpers. Bei der bevorzugten, gezeigten Gegenströmung treten die beiden Fluidströmungen an entgegengesetzten Enden ein, bei Parallelströmung werden die Einzüge am gleichen Ende vorgesehen.

Der vorzugsweise extrudierte Wabenkörper 1 ist aus dünnen Zellwänden 2 aufgebaut, welche den gesamten Körper von der einen bis zur anderen Endfläche durchsetzende Zellen 3» z. B. quadratischer Form bilden.

Die Zellwände oder auch eine besondere Schicht bilden die obere Begrenzungsfläche 4-, die untere Begrenzungsfläche 5, und die gegenüberliegenden Seitenwände 6, 7» im. gezeigten Beispielfall also einen rechteckigen Wabenkörper begrenzend. Die Zellen sind zu Säulen gruppiert, welche von den benachbarten

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Zellsäulen durch die Fluidbarrieren (Strömungsbarrieren) bildenden Wandflächen 8 getrennt werden. Diese bestehen ihrerseits aus den hier liegenden Zellwänden oder besonderen Schichten. Vorzugsweise sind die Zellwände und Strömungsbarrieren planeben und parallel zu einander gelegen, jedoch ist dies nicht Bedingung und es genügt, wenn getrennte Strömungswege durch getrennte Zellsäulen gebildet werden. Extrudierte oder geschichtete Wabenkörper können z. B. nach dem Verfahren der US-PS 3,112,184 und 3,790,65^ hergestellt werden.

Durch die obere und untere Begrenzungsfläche 4-, 5 führen Ein- und Auslassöffnungen 9j 10 in ausgewählte Zellsäulen. Hierbei entsteht ein "I"-förmiger Strömungsweg. Ein "U"-förmiger Strömungsweg wird erhalten, wenn die öffnungen nur in einer Begrenzungsfläche angebracht werden. Bei Einlassöffnungen in der einen und Auslassöffnungen ir. der anderen Begrenzungsfläche entsteht ein "Z'^förmiger Strömungsweg. Wird in der gezeigten Weise jede zweite Zellsäule ausgewählt, so entsteht ein Verhältnis der ausgewählten zu den nicht ausgewählten Zellen von 1:1. Andere Verhältnisse, z. B. 1:2, 2:1 usf. sind möglich, beispielsweise zur Einstellung unterschiedlicher Druckgefälle der beiden Fluidströmungen durch den Wabenkörper.

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Zur Einspeisung bzw. Abführung des ersten Fluidmittels in die Einlassöffnungen bzw. aus den Auslassöffnungen ist an dem Wabenkörper ein Einzug und Abzug 20 abdichtbar angebracht, Ein Zug aus Metall kann z. B. um den keramischen Wabenkörper angeordnet und gegenüber dem Fluidmittel (z. B. Gas oder Flüssigkeit) mit Asbest, feuerfester Isolierwolle und dergleichen abgedichtet werden. Der Zug 20 enthält eine zum Anschluss an eine nicht gezeigte Fluidquelle oder einen Fluidauspuff geeignete öffnung 21.

Die Strömungswege von den Auslassöffnungen bis zu dieser öffnung 21 sind durch die gepunkteten Pfeile in der Fig. angedeutet. Ebenfalls geeignet sind anders ausgebildete, für die Fortleitung und gegebenenfalls Wiedergewinnung von Fluidmitteln geeignete Kopf- oder Sammelleitungen und dergleichen, die an den Wabenkörper angeschlossen werden.

In entsprechender Weise wird ein zweites Fluidmittel zur Durchströmung der nicht ausgewählten Zellen über entsprechende Züge 25 eingeleitet und wieder abgezogen.

Die Fig. 3 zeigt im Schnitt durch einen Teil des Wabenkörpers mit nicht ausgewählten Zellen diese für den Durchlauf des zweiten Fluidmittels geeigneten, offenendigen Zellen. Das

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durch, den zweiten Einzug aufgegebene Fluidmittel kann durch beliebige oder alle Zellen 3 fliessen.

Die Fig. 4 zeigt den Strömungsweg des ersten Fluidmittels durch die ausgewählten Zellsäulen. Das Fluidmittel fliesst durch die Einlassöffnungen 9 in den oberen und unteren Begrenzungsflächen 4, 5 in die in jeder ausgewählten Zellsäule zwischen den Fluidbarrieren und den oberen und unteren Einlassöffnungen 9 verlaufenden Einlassleitungen 11. Die Einlassleitung vermittelt den Zugang des Fluidmittels zu allen Zellen der ausgewählten Säule, so dass vielfache Strömungswege durch die Zellen bis zum Ausgangsende des Wabenkörpers zur Verfügung stehen.

Nahe der anderen Endfläche des Wabenkörpers verlässt das Fluidmittel die Zellen und gelangt in die in jeder ausgewählten Zellsäule zwischen den Fluidbarrieren und den Auslassöffnungen 10 in den oberen und unteren Begrenzungsflächen 4, 5 verlaufenden Auslassleitungen 12 und fliesst durch die Auslassöffnungen 10 in den ersten Abzug. Die Herstellung der Fluidleitungen 11, 12 ist weiter unten näher erläutert.

Nach weiterer Ausgestaltung der Erfindung können mehr als zwei verschiedene Fluidmittel den Wabenkörper durchlaufen.

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Hierfür ist in der Ausbildung der Fig. 5 eine mittlere Fluidbarriere 14- vorgesehen, welche im Wesentlichen parallel zu den unteren und oberen Begrenzungsflächen 4, 5 verläuft und von der einen bis zur anderen Seitenfläche und der ersten bis zur zweiten Endfläche des Wabenkörpers reicht. Diese mittlere Barriere trennt den Körper in zwei Einheiten und ermöglicht den getrennten Durchlauf eines dritten Fluidmittels durch ausgewählte Zellensäulen in den beiden Einheiten, ohne den getrennten Durchlauf des zweiten Fluidmittels durch die nicht ausgewählten Zellen in den beiden Einheiten zu beeinträchtigen.

Möglich sind auch geschichtete Wabenkörper, z. B. entsprechend der Fig. 6. Hier werden abwechselnd flache Bahnen 33 und gewellte Bahnen 32 aus grüner (ungebrannter) Keramik über einander gestapelt. Die flachen Teile 33 dienen als Fluidbarrieren und gruppieren die abgerundeten Zellen zu Säulen. Jede zweite, ausgewählte Zellensäule kann dann verschlossen bzw. abgedichtet werden.

Die Fluidleitungen 11, 12 nahe den Endflächen des Wabenkörpers können in der Weise erzeugt werden, dass Teile der an einander gegenüberliegende Wandbarrieren ausgewählter Zellensäulen angrenzender Zellwände entfernt werden, so dass zwi-

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sehen den oberen und unteren Begrenzungsflächen 4, 5 Fluidströmungsrillen entstehen. Dies kann z. B. durch Bohren, Stanzen, Sägen usw. ausgehdn von der oberen oder unteren Begrenzungsfläche, über die Zellwände und bis durch die entgegengesetzte Begrenzungsfläche bewerkstelligt werden, wobei dann gleichzeitig die Ein- und Auslassöffnungen in den Begrenzungsflächen hergestellt werden. Es kann aber auch von einer Endfläche des Wabenkörpers ausgehend bis zur anderen Endfläche, parallel zu und zwischen den Barrierewänden der ausgewählten Zellsäulen geschnitten werden.

Zur Umwandlung der Fluidrillen in Fluidleitungen und Trennung der ersten Fluidströmung von der zweiten Fluidströmung werden die Fluidrillen nahe den Endflächen des Wabenkörpers zwischen den Barrierewänden entlang ihrer ganzen Länge in ausgewählten Zellsäulen umschlossen. Hierzu wird ein mit dem Wabenkörpermaterial vereinbares, praktisch unporöses, chemisch, mechanisch und thermisch (Dehnung bei hohem Temperaturwechsel!) widerstandsfähiges Material gewählt, z. B. in Form einer Keramikaufschlämmung, eines keramischen Zements, Wachs, Kunststoff, Gummi usw.

Entsprechend der Darstellung in den Fig. 4- und 5 wird dieses Abdicht- bzw. Verschlussmaterial 13 in die ausgewählten

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Zellsäulen bis zu einer Tiefe hereingepresst, die geringer als die der Fluidrillen ist.

Nach einer "besonders günstigen Herstellungsart der Fluidleitungen wird folgendermassen vorgegangen. Der Wabenkörper wird vorzugsweise in ein fliessbares Schutzmaterial getaucht. Dieses Schutzmaterial soll die Fähigkeit haben, steif zu werden, bevor mit dem Schneiden oder Fräsen oder anderer Entfernung von Teilen und der endgültigen Abdichtung begonnen wird. Ferner soll es durch Erwärmen oder auf chemischem Wege, z. B. durch Auslaugen, leicht entfernbar sein. Es soll dabei so steif sein, dass es in den Zellen bleibt und die Zellwände beim Schneiden oder anderen Bearbeitungen abstützt, sowie ein Eindringen des endgültigen Abdichtmaterials in die nicht ausgewählten Zellsäulen verhindert. Geeignet sind beispielsweise Stoffe wie Paraffin, Gummi, Silikongummi, Kunststoffe, oder anderes geeignetes, unter seinem Erweichungspunkt steif werdendes thermoplastisches Material. Möglich, wenn auch nicht bevorzugt, ist auch die Verwendung anorganischer Stoffe als Aufschlämmung, die zu einem erstarrten Zustand trocknet, Das Schutzmaterial kann auch aufgepinselt oder in die Zellen gepresst werden, aber Eintauchen ^et am wirksamsten zur Erzielung einer gleichmässigen Fülltiefe in den Zellen von etwa 3,2 - 6,4 mm, was genügt, um die dünnen Wände bei der folgenden Bearbeitung abzustützen.

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Die Kanäle werden vorzugsweise durch Schneiden mit einer Bandsäge oder Kreissäge in den ausgewählten Zellsäulen hergestellt, möglich sind aber auch aufwendigere Methoden, wie Schneiden mit einem Laserstrahl. Es können rechtwinklige, senkrecht zu den Zellachsen und parallel zu den Fluidbarrierenflachen verlaufende Kanäle geformt werden, welche in den oberen and unteren Flächen Ein- und Auslassöffnungen bilden. Es können aber auch entsprechend der Fig. 4 dreieckige Kanäle mit einem diagonalen Schnitt hergestellt werden, so dass nur die obere oder nur die untere Fläche mit einer Ein- oder Auslassöffnung nahe jeder Endfläche des Wabenkörpers versehen wird und eine U-förmige oder Z-förmige Strömungsrichtung entsteht. Es können auch zwei diagonale Schnitte in jeder ausgewählten Zellsäule und Schnitte in den oberen und unteren Flächen angebracht werden, so dass an jedem Ende K-förmige Kanäle entstehen.

Bei Vornahme eines geraden Schnitts englang der Diagonale kann auch ein Schnitt in die gegenüberliegende Begrenzungsfläche notwendig werden, damit genügende Teile der benachbarten Zellwände entfernt und nicht vom endgültigen Abdichtmittel aufgefüllt werden. In diesem Falle wird das endgültige Abdichtmittel bis zu einer solchen Tiefe eingefüllt, dass die gegenüberliegende Flächenöffnung wieder verschlossen wird, wie aus der Fig. 7» nahe der anderen Endfläche 7 ersichtlich ist.

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Vorzugsweise wird das Schutzmaterial bis zu einer geringeren als der Schnittiefe (der Tiefe der Kanäle bzw. Rillen) eingefüllt und der Körper bis unter die Erweichungstemperatur gekühlt, wenn ein thermoplastisches Material verwendet wird, oder, bei Verwendung einer anorganischen Aufschlämmung, getrocknet, um das Material steif zu machen. Das steife Material schützt dann die dünnen Wände vor Bruch und Absplittern bei Ansetzen der Säge. Beim Schneiden wird dann alles oder das meiste Schutzmaterial in den ausgewählten Zellsäulen wieder entfernt.

Nach Entfernung des Schutzmaterials und der Zellwandteile sowie von Teilen der oberen und/oder unteren Begrenzungsfläche wird das endgültige Abdichtmaterial an den Endflächen des Keramikkörpers eingeführt, um die Kanäle an der betreffenden Endfläche einzuschliessen. Vorzugsweise wird der keramische Wabenkörper in eine keramische Aufschlämmung oder einen Zement eingetaucht, so dass die ausgewählten Zellsäulen bis zu einer geringeren als der Kanaltiefe gefüllt werden und eine Leitung durch wenigstens eine Begrenzungsfläche und durch Zellwandteile nahe den Endflächen des Wabenkörpers verbleibt.

Das Abdichtmittel kann in beliebiger Weise eingebracht werden und wird zur Bildung einer festen, unporösen, fluidfesten Abdichtung gehärtet oder gesintert. Muss der Wabenkörper eben-

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falls gesintert werden, so kann mit diesem abschliessenden Schritt die Sinterung des Wabenkörpers und des endgültigen Abdichtmittels bei gleichzeitiger Entfernung des verbleibenden Schutzmaterials gleichzeitig vorgenommen werden. Es ist auch möglich, das Schutzmaterial nach Einfüllen, aber vor dem Steifwerden, aus den Kanälen der ausgewählten Zellsäulen mit einem Luft- oder Gasstrom herauszublasen oder bei entsprechender Viskosität herausfliessen zu lassen. Das in den nicht ausgewählten Zellen befindliche Schutzmaterial bleibt dort bis es steif wird.

Durch die Verfahrensführung ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung, z. B. infolge eines raschen Schnittvorgangs der ausgewählten Zellsäulen, der Abstützung dor dünnen Zellwände durch das Schutzmaterial in den nicht ausgewählten Zellsäulen bei der Bearbeitung und der raschen und gezielten Abdichtung der ausgewählten Zellsäulen zwecks Herstellung eines Strömungswegs für das Fluidmittel.

Die Fig. 7» 8, 9 zeigen das in der beschriebenen Weise angebrachte endgültige Abdichtmittel 15. In den gezeigten Wabenkörpern bezeichnen die zu den Fig. 1-6 zusätzlichen Bezugsziffern 16, 17 die Endflächen des Wabenkörpers, 51 die nicht ausgewählten, offenen Zellsäulen und 32 die an den Endflächen

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mit dem endgültigen Abdichtmaterial geschlossenen, ausgewählten Zeilsäulen.

Die Fig. IO zeigt einen Schnitt durch ausgewählte Zellsäulen nach Fig. 7· Die wiederum aus den dünnen Wänden 2 gebildeten Zellen 3 sowie die obere Begrenzungsfläche 4 nahe einer Endfläche 16 und die untere Begrenzungsfläche nahe der anderen Endfläche 17 sind hier bereits geschnitten, so dass eine Einlassöffnung 42, eine Auslassöffnung 44, eine dreieckige profilierte Fluideinlass- und -auslassöffnung 47, 46 in den ausgewählten Zellsäulen zwischen den Fluidbarriereflächen entsteht. In den ausgewählten Zellsäulen befindet sich auch bereits das endgültige Abdichtmittel 15. Wie die Pfeile andeuten, ist ein Z-förmiger Strömungsweg entstanden.

Die Fig. 11 zeigt einen durch Schichtung entstandenen Wabenkörper mit mehrfachem Strömungsweg. Hierbei werden abwechselnd flache und gewellte, ungebrannte Keramikschichten gestapelt, mit Begrenzungsflächen abgedeckt und gebrannt.

Zur Durchführung des Verfahrens werden extrudierte Wabenkörper aus Keramik niedriger Wärmedehnung, wie Cordierit oder Beta-Spodumen, z. B. der Zusammensetzung nach den US-FS 3,885,977 und 3,600,204,hergestellt durch Stapeln oder Extrudieren nach den US-PS 3,112,184 und 3,790,654, bevorzugt.

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Möglich sind aber auch Körper aus anderem Material, geeignetem Metall und dergleichen oder auch porösen Kunststoffen, besonders z. B. bei Verwendung als Filter- oder Osmosekörper bei niedrigeren Betriebstemperaturen.

Das Verfahren ist auch auf Wabenkörper mit unparallelen, nicht planebenen Zellwänden und Zellen verschiedener Querschnitte, wie hexagonalen, dreieckigen, T-förmigen, gekrümmten Zellen anwendbar. Bevorzugt werden planebene und parallele Zellen quadratischen Querschnitts, die auch gleichzeitig die Fluidbarrierenflächen bilden. Vorzugsweise wird jede zweite Zellsäule ausgewählt, aber auch andere Reihenfolgen und Auswahlverhältnisse sind möglich.

Möglich sind verschiedene Strömungswege, z.B. in Form der Buchstaben U, Z, I, L, T für eines oder beide oder mehrere der Fluidmittel oder auch Kombinationen verschiedener Strömungswege für das erste und das zweite oder bei Vorsehen einer Zwischenwand auch für das dritte Fluidmittel, z. B. zwei entgegengesetzt liegende "U"-Formen in dem ersten und dritten und gerader Durchfluss in dem zweiten Fluidmittelbereich. Möglich ist auch die Teilung der Zellsäulen in zwei Gruppen, mit einer Strömungsform am einen und einer anderen am anderen Ende. Bevorzugt wird aber die Gleichbehandlung der Zellsäulen an beiden Enden zur Bildung eines U-, Z- oder I-

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förmigen Strömungswegs für das eine Fluidmittel und einen geraden Strömungsweg für das andere Fluidmittel.

Die Erfindung sei an Hand einiger nicht einschränkender Beispiele weiter erläutert.

BEISPIEL I

Zur Prüfung und Verwendung als Wärmeaustauscher wurde ein Cordieritwabenkörper der Zusammensetzung 49,6% SiOp, 35,9% Al₂O , 14,5% MgO (US-PS 3,885,977) nach US-PS 3,790,654 zum Einsatz in gemässigt erhöhten Temperaturen (unter ca. 1500°) zu einem Wabenkörper extrudiert und zum Einsatz als Wärmeaustauscher (Rekuperator) von einem Naturgas als erstem Fluidmittel und kalt eingeblasener Luft als zweitem Fluidmittel geprüft.

Der Wabenkörper wurde als quadratischer 5x5x50 cm gesinterter

Cordieritkörper mit 225 quadratischen Zellen pro Inch -

ρ
6,452 cm mit 0,25 mm dicken Zellwänden erfindungsgemäss in folgender Weise bearbeitet. Die oberen und unteren Flächen und Horizontalen wurden von den Endflächen bis zu einer Tiefe von etwa 2,54 cm zwischen senkrechten Zellwänden in abwechselnden (z. B. jeder zweiten) Zellsäulen geschnitten. Sodann wurde die Endfläche des Wabenkörpers in den ausgewählten Zellsäulen bis zu einer Tiefe von 3,2 mm mit einer hochtemperaturfesten Keramik zementiert. Der Zement wurde dann gesintert

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und an beiden Enden des Körpers wurde ein Zug zur Einfuhrung des ersten Fluidmittels angebracht und mit feuerfester Glaswolle abgedichtet.

Zur Prüfung dieses erfindungsgemässen Mehrfluidstrsömungskörpers wurde in die Einlassöffnungen für das erste Fluidmittel Heissluft einer Temperatur von 800 - 850° eingeblasen. Ein Strom von Kaltluft wurde auf die gesamte Endfläche gerichtet und trat in die offenendigen Zellen am anderen Ende des Wabenkörpers mit einer Temperatur von 20 - 25° ein. Die beiden Pluidströmungen flössen im Gegenstrom durch den Wabenkörper. An gegenüberliegenden Enden trat die Heissluft mit einer Temperatur von 30 - 60°, die Kaltluft mit einer Temperatur von 400 - 450° aus; bei einer kurzen Austauschstrecke ergibt sich somit ein wirksamer Wärmeaustausch. Andere Auslasstemperaturen können durch Änderung der Strömungsraten erzielt werden.

BEISPIEL· II

Ein 2,5* χ 10 χ 15 cm grosser Wabenkörper mit rechteckigem Querschnitt (entsprechend der Darstellung in den Zeichnungen) wurde aus dem Ansatz P der US-PS 3,885,977 nach US-PS 3,790,65* extrudiert und zu einem Cordieritkörper der errechneten Zusammensetzung in Gew.% 4-9,6% SiO₂, 35,9% AlgO,, 14,5% MgO gebrannt. Der Wabenkörper hatte eine regelmässige Anordnung von 100 Quadratmil grossen Zellen, getrennt durch 10 Mil

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= 64,5 x 10" qcm dicke Wände und begrenzt von 20 Mil = 129 x 10" qcm dicken, parallel zu den Zellachsen verlaufenden Begrenzungswänden.

Der gebrannte Wabenkörper wurde zunächst mit der einen und dann mit der anderen Endfläche bis zu einer Tiefe von 6,35 in erweichtes Paraffinwachs getaucht. Nach Abkühlen des Paraffins bis zur Steifigkeit wurden abwechselnde Zellsäulen an einer Endfläche, eine nach der anderen, zwischen senkrechten Fluidbarrierewanden mit einem geraden Sägeblatt geschnitten. Die Schnitte wurden (entsprechend Fig. 10) diagonal unter einem Winkel von 50° zu den Zellachsen geführt und damit gleichzeitig die Einlassöffnungen in der oberen Begrenzungsfläche bis zu einer Tiefe von 2,5 cm hergestellt. In gleicher Weise wurden abwechselnde Zellsäulen und die Auslassöffnungen in der unteren Begrenzungsfläche am anderen Ende geschnitten. Hierbei muss u. U. ein Teil der gegenüberliegenden Begrenzungsflächen entfernt werden, um die Zellen in der Nähe dieser gegenüberliegenden Begrenzungsfläche nicht durch das endgültige Abdichtmittel zu blockieren, wobei dieses den entfernten Teil wieder verschliesst.

Nach diesen Schnitten wurden beide Enden des Wabenkörpers bis zu einer Tiefe von 3»2 - 6,35 ηωα in eine keramische Zementauf schlämmung getaucht. Dieser Zement bestand aus 3 Teilen Aluminiumsilikat zement (OF 180, Union Carbide) und 1 Teil

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feingemahlenem Beta-Spodumen der Zusammensetzung 78,5% SiOp, 16,6% Al₂O₃, 4,9% Li₂O (Gew.% und US-PS 3,600,204). Auch eine Aufschlämmung des Cordierit in einem Träger ist möglich. Nach Trocknen des Zements wurde der Körper bei 1180° gebrannt, um den Zement zu sintern und das Paraffin auszutrennen. Der so hergestellte Wabenkörper hatte getrennte Strömungswege für zwei Fluidmittel und wurde als Wärmeaustauscher mit gutem Austausch zwischen einem heissen Gas mit Z-förmigem Strömungsweg und im Gegenstrom durch die offenendigen Zellen geführter Kaltluft geprüft.

BEISPIEL· III

Ein Wabenkörper nach Beispiel I wurde an beiden Enden 6,35 mm tief in Paraffinwachs getaucht; in abwechselnden Zellsäulen wurde senkrecht zu den Zellachsen bis zu einer Tiefe von 19 mm ein Sägeschnitt ausgeführt, beide Enden in das endgültige Abdichtmittel des Beispiels II bis zu einer Tiefe geringer als 6,35 mm getaucht und zwecks Sinterung des Zements und Entfernung des Paraffins gebrannt. Der Rekuperator hatte Ein- und Auslassöffnungen für I-förmige Strömung.

BEISPIEL· IV

In einem Wabenkörper nach Beispiel II wurde in jeder Endfläche bis zu einer Tiefe von 2,5^ cm in den Begrenzungsflächen ausgewählter Zellsäulen ein diagonaler Schnitt ausgeführt; die

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Enden wurden bis zu einer Tiefe von 6,35 nun in flüssiges Wachs getaucht. Während das Wachs noch flüssig war (im Gegensatz zu den vorigen Beispielen also noch nicht steif geworden war) wurde das Wachs in den ausgewählten Zellsäulen durch Einblasen eines von oben und unten in die öffnungen in den oberen und unteren Begrenzungsflächen gerichteten Druckluftstroms entfernt.

Das in den nicht ausgewählten Zellen verbliebene Wachs wurde steif werden gelassen und der Wabenkörper mit den Enden nach Beispiel II in den Zement getaucht. Nach Trocknen des Zements wurde der Körper bei 1180 gebrannt, um den Zement zu sintern und das verbleibende Wachs heraus zu brennen.

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Claims

Patentansprüche

s
(.)Verfahren zur Herstellung von Mehrfluidströmungskorpern, dadurch gekennzeichnet, dass ein dünnwandiger Wabenkörper mit einer Vielzahl zwischen zwei Endflächen verlaufender, "beidseitig offener, durch parallel zu den Zellachsen verlaufende obere, untere und Seitenflächen begrenzte Zellen gebildet wird, in welchem die Zellen zu einer Vielzahl von Zellsäulen gruppiert sind, und die Zellsäulen durch je eine, als Strömungsbarriere dienende kontinuierlich von der oberen bis zur unteren Zeilbegrenzungsfläche und von einer bis zur anderen Endfläche des Wabenkörpers verlaufende Wandfläche von einander getrennt sind, in ausgewählten Zellsäulen nahe wenigstens einer Endfläche des Wabenkörpers durch Entfernung von Grenzflächen und Zellwandteilen in wenigstens jeweils einer der Grenzflächen Strömungsöffnungen und von diesen und wenigstens einer Endfläche zu den Zellen in den gewählten Zellsäulen Strömungsrillen gebildet werden, und durch Abdichten der Strömungsrillen nahe einer Endfläche des Wabenkörpers und Bildung von Strömungsleitungen erste, von den öffnungen über die Leitungen und Zellen in den gewählten Zellsäulen bis zu ihren anderen offenen Enden verlaufende Strömungswege für ein erstes Fluidmittel und zweite, durch Zellen mit offenen Enden in den nicht ausgewählten Zellsäulen verlaufende Strömungswege für ein zweites Fluidmittel gebildet werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in ausgewählten Zellsäulen nahe den Endflächen des Wabenkörpers Ein- und Auslassöffnungen in der oberen und/oder unteren Begrenzungsfläche und von diesen zu bzw. von Zellen in ausgewählten Zellsäulen durch Entfernung von Teilen der Zellwände Strömungsrillen der Strömungskanäle und aus diesen mit einem Verschlussmittel Strömungsleitungen gebildet werden,
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ein- und Auslassöffnungen für das erste Fluidmittel an erste Ein- und Abzüge und alle offenendigen Zellöffnungen in den nicht ausgewählten Zellsäulen an beiden Enden des Körpers an zweite Ein- und Abzüge angeschlossen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper dünne, ein regelmässiges Gebilde aus offenendigen Zellen mit parallelen Zellachsen bildende Zellwände aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper einen rechteckigen Querschnitt hat.

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6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nur in einer Begrenzungsfläche angebrachten Einlassöffnungen und die nur in einer Begrenzungsfläche angebrachten Auslassöffnungen durch einen ersten Z-förmigen Strömungsweg verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in ein- und derselben Begrenzungsfläche angebrachten Ein- und Auslassöffnungen durch erste, U-förmige Strömungswege verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in oberen und unteren Begrenzungsflächen angebrachten Ein- und Auslassöffnungen durch erste, I-förmige Strömungswege verbunden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnde Zellsäulen ausgewählt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7> dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierlich von einer bis zur anderen Endfläche und von der ersten bis zur zweiten Seitenfläche reichende, zwischen den oberen und unteren Begrenzungsflächen verlaufende, mittlere Strömungsbarriere vorgesehen wird, und in den oberen und unteren Begrenzungsflächen Ein- und Auslassöffnungen durch getrennte, obere und untere U-förmige Strömungswege miteinander verbunden werden.

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11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die offenendigen Zellen an beiden Endflächen des Körpers mit einem in die Zellen bis zu einer bestimmten Tiefe eindringenden und umkehrbar steif werdenden Schutzmittel verschlossen werden, durch Entfernen von Teilen der Zellwände und der oberen und/oder unteren Begrenzungsfläche zwischen benachbarten Fluidbarrierewänden in ausgewählten Zellsäulen an beiden Enden des Körpers in den ausgewählten Zellsäulen Rillen oder Kanäle bestimmter Tiefe gebildet und durch Auffüllen der Rillen oder Kanäle mit einem endgültigen Verschlussmaterial bis zu einer Tiefe, die kleiner als die Tiefe der Rillen oder Kanäle ist, diese zu Fluidleitungen mit wenigstens einem offenen Ende umgebildet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmaterial ein thermoplastischer Stoff und das endgültige Verschlussmaterial ein keramischer Zement ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erhitzen des Wabenkörpers in einem Vorgang das Schutzmaterial entfernt und der keramische Zement gesintert wird.
14. Nach irgendeinem der Ansprüche 1 - I3 hergestellter Wabenkörper, gekennzeichnet durch die Verwendung als Wärmeaustauscher, Rekuperator und dergleichen.

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15· Wabenkörper nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Verwendung in Verbrennungskraftmachinen, Turbinen, Verbrennungsmotoren mit Aussenverbrennung, Sterlingmotoren und dergleichen.

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