DE3607047A1

DE3607047A1 - Poroeses keramisches element

Info

Publication number: DE3607047A1
Application number: DE19863607047
Authority: DE
Inventors: Munehiko Yokohama Kanagawa Kato; Hirotsugu Masuda; Tsuneaki Narumiya; Eigo Tanuma
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1986-09-11
Anticipated expiration: 2006-03-05
Also published as: US4740406A; DE3607047C2; GB8605282D0; GB2171989B; GB2171989A; JPS61148994U; JPH0643140Y2

Description

TER meer - Müller . Steinmeister . ... -Bridgestone Corporation

PORÖSES KERAMISCHES ELEMENT

Die Erfindung betrifft ein poröses keramisches Element oder allgemein eine gasdurchlässige keramische Struktur. 5

Derartige keramische Strukturen werden beispielsweise zur Erhöhung des Wärmewirkungsgrads eines Ofens oder dergleichen als wärmedämmendes Element in die Abgasöffnung des Ofens eingesetzt.

Ij Zur thermischen Isolierung des Abgas-Auslasses eines Ofens oder dergleichen ist es bekannt, als gasdurchlässigen Wärmeisolator ein feinkeramisches Wabenelement oder einen porösen keramischen Körper mit einer dreidimensional verbundenen offenzelligen Struktur in die Abgasöffnung des Ofens einzusetzen, 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 zurückgewonnene Wärmeenergie wird in Form von Strahlungswärme direkt in den Heizbereich des Ofens zurückgeführt (japanische offengelegte Anmeldung 57-209892) .

Herkömmliche gasdurchlässige Wärmeisolatoren mit einer Keramikwabe oder einem porösen keramischen Körper der oben beschriebenen Art weisen zufriedenstellende Eigenschaften auf/ solange sie unter Bedingungen eingesetzt werden, bei denen keine starken Temperaturunterschiede und keine größere Mengen an Staub auftreten. Bei den herkömmlichen keramischen Wabenelementen treten jedoch leicht Risse oder ähnliche Schädigungen in den Ecken oder Randbereichen auf, wenn sie unter Bedingungen mit starken Temperaturänderungen eingesetzt werden.

Bei herkömmlichen porösen keramischen Körpern besteht

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zudem die Gefahr, daß die dreidimensionale offenzellige Struktur des Keramikkörpers sich mit Staub zusetzt, wenn das Abgas größere Mengen an Staub enthält (beispielsweise Flugasche, die bei dem Verbrennungsvorgang entsteht, oder Brandkruste von dem erhitzten Material). Dies führt dazu, daß der Druckverlust im Abgassystem zunimmt, so daß Schwierigkeiten beim Betrieb des Ofens auftreten.

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 bei starken Temperaturänderungen weder eine Verstopfung der Poren noch Risse oder ähnliche Schäden in dem Keramikmaterial entstehen.

Das keramische Element soll insbesondere zur Verwendung bei hohen Temperaturen, beispielsweise in einem Abgasreiniger, oder als Filter für geschmolzenes Metall oder Festkörper-Kollektor einsetzbar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße keramische Element weist einen Wabenkörper mit dicht beieinanderliegenden zylindrischen, an beiden Enden offenen Zellen auf, deren Längsachse in Bezug auf die senkrecht zur Ebene der Zellöffnung verlaufende Gerade geneigt sind. Die Weite der Zellen liegt im Bereich von 5 bis 30mm, und die Höhe der Zellen beträgt 10 bis 100mm. Der Neigungswinkel der Zellen in Bezug auf die Oberflächenormale des Wabenkörpers beträgt 20 bis 70°.

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Die Wabenkörper sind bevorzugt als langgestreckte Körper in Doppelreihen angeordneten Zellen aufgebildet. Wenn auf einer bestimmten Fläche eine Wärmeisolierung gewünscht wird, so werden mehrere derartiger 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 geradeliniger Durchtritt von Licht oder Wärmestrahlung durch die Wabenkörper verhindert, ohne daß die Gasströmung nennenswert beeinträchtigt wird. Die Wärmestrahlung 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 Energieersparnis erreicht. Thermische Spannungen, die sich infolge starker Temperturänderungen ergeben, werden durch die erfindungsgemäße keramische Struktur verteilt, so daß die Struktur eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber 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

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den Einsatz beispielsweise als gasdurchlässiger Wärmeisolator unter Bedingungen mit starkem Staubanfall und starken Temperaturänderungen geeignet.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Wände der zylindrischen Zellen mit Durchbrüchen versehen, durch die benachbarte Zellen miteinander verbunden werden. Durch diese Querverbindungen in den Zellen des wabenformigen Elements wird eine starke Verwirbelung und Durchmischung des hindurchströmenden Fluids erreicht.

Die Wabenkörper können in mehreren Schichten übereinander 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 ausgebildet, die zu einer Stirnseite des Wabenkörpers hin offen sind. Hierdurch wird die Haltbarkeit des Wabenkörpers 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 Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 ist ein vergrößerter Grundriß zu zu Figur 1;

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ⁱ9· ³ ist eine Ansicht ähnlich Figur 1

und zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung; ·

^Fi9· ⁴ ist ein Schnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3;

^Fi9· ⁵ ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Blattes ^od®r Bandes, das zur Herstellung

eines Viabenkerns gemäß Figur 3 verwendet wird;

Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Er

findung;

^Fi<3' ⁸ ist ein schematischer Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

^Fi9· ⁹ ist ein Schnitt längs der Linie IX-IX in Figur 8; und

^Fl<?· ¹⁰ ist ein schematischer Längsschnitt

durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Figur 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 "δ" gefalteten Band aus Keramikmaterial, dessen Schleifen Paare aufeinanderfolgender schräggestellter zylindrischer Zellen 2,2'

TER MEER ■ Müller ■ STEINMEISTER- ■ Bridgestone Corporation

mit ovalem Querschnitt bilden. In dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird die keramische Struktur

1 durch eine Anordung aus mehreren nebeneinanderliegenden Wabenkörpern 3 gebildet, die an ihren einander zugewandten gefalteten Rändern in der in Figur 1 gezeigten Weise miteinander verbunden sind. In Figur 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 dergleiche. Die Erstreckung in Längsrichtung des Wabenkörpers 3, d.h., die Länge der durch die geneigten zylindrischen Zellen 2, 2¹ gebildeten Zeilen, und die Anzahl der Wabenkörper 3 wird 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 2¹ eine Breite d von 5 bis 30mm (entsprechend dem kleineren Durchmesser der zylindrischen Zelle mit ovalem Querschnitt gemäß Figur 1), -eine Höhe h von 10 bis 10 0mm (entsprechend der Dicke des Wabenkörpers) und einen Neigungswinkel θ 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-5 fähigkeit gegenüber thermischen Schocks auf. Wenn die

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Breite d der Zellen kleiner als 5mm ist, besteht dagegen die Gefahr, daß die Gaskanäle 5 durch Ablagerung des in dem Abgas enthaltenen Staubs verstopft werden, und außerdem nimmt der Druckverlust bereits bei einem Betrieb über einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum so stark zu, daß eine nicht mehr akzeptable Höhe erreicht. Wenn dagegen die Breite der Zellen größer als 30mm 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 Warmeabstrahlung so stark zunimmt, daß die Struktur nicht mehr als gasdurchlässiger Wärmeisolator geeignet ist.

Wenn die Höhe h der zylindrischen Zellen 2,2' (die Dicke des Wabenkörpers) kleiner als 10mm ist, wird der Wärmeübergang von dem Abgas auf den Wärmeisolator infolge der Verringerung der Oberfläche der Wände des Keramikmaterials stark reduziert, und die optische Dicke des Wabenkörpers 3 wird zu klein, als daß der geradlinige Durchgang von Licht oder Wärmestrahlung durch den Wärmeisolator noch verhindert werden könnte, so daß eine unerwünschte Auskühlung durch Wärmestrahlung eintritt.

Wenn der Neigungswinkel der Zellen 2,2' in Bezug auf die Senkrechte kleiner als 20° ist, wird es schwierig, eine ausreichende Unterdrückung der Warmeabstrahlung 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 Neigungswinkel größer als 70° wäre, ergäbe sich ein starker Druckverlust, sofern die Stirnflächen der Zellen dem Abgas zugewandt sind. Bei der praktischen Anwendung der Struktur

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als Wärmeisolator träte darüber hinaus eine unvertretbare Ansammlung von Staub auf.

Der bevorzugte Bereich für die Breite d der Zellen beträgt 7 bis 18mm, der bevorzugte Bereich für die Höhe h der Zellen beträgt 15 bis 30mm. 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 1m/s im Bereich von 0,05 bis 10mm vorzugsweise 0,1 bis 1mm 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 entgegengesetzten Enden der durch die Schleifen gebildeten zylindrischen Zellen schräg abgeschnitten werden. Es kann ein beliebiges Keramikmaterial verwendet werden. Im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Schocks werden jedoch bevorzugt Materialien wie Cordierit, Mullit, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder dergleichen verwendet. Die erfindungsgemäße keramische Struktur kann als gasdurchlässiger Wärmeisolator verwendet 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

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-kanal oder das aufzuheizende Material abdeckt. Hierdurch wird das Material einerseits durch die Wärmestrahlung des Ofens und andererseits durch die von dem gasdurchlässigen Wärmeisolator reflektierte Wärmestrahlung aufgeheizt. 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 Wärmewirkungsgrad 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 vermieden, durch die der Verbrennungsvorgang in dem Ofen behindert 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-

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körperanordnung eine katalytische Wirkung ausüben, durch die beispielsweise Stickoxyde beseitigt werden, die im Abgas eines mit Schweröl befeuerten Ofens enthalten sind.

In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargetellt, bei dem ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 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. Figur 3 zeigt eine wabenförmige 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' miteinander verbunden werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 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 zylindrischen 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 vorgesehen 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 Wäbenkörper 3 oder der Wabenkörper-Anordnung 4 nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt ist, ist es ratsam, den Wabenkörper bzw. die

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Wabenkörper-Anordnung durch Trocknen und Sintern eines keramischen Schlamms herzustellen, der auf einem Wabenkörper oder einer Anordnung mehrerer verbundener Wabenkörper 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 mäanderförmig oder 8-förmig gefaltet ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden durch die Zellen des Wabenkörpers oder der Wabenkörper-Anordnung geradelinige Strömungskanäle gebildet. Da jedoch öffnungen in den Zellwänden ausgebildet sind, wird ein Teil des durch die zylindrischen Zellen strömenden Fluids rechtwinklig zu den Ströungskanälen verteilt, so daß aufgrund der ausgezeichneten Verwirbelungswirkung, die durch die Öffnungen in den Zellwänden hervorgerufen wird, eine gegenseitige Durchdringung und Durchmischung des 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 zuverlässig 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 sichergestellt ist.

Der erfindungsgemäße Wabenkern oder die Wabenkern-Anordung kann in Stapelform verwendet werden, die beispielhaft durch die Ausfuhrungsform gemäß Figur 6 veranschaulicht wird. In diesem Fall sind mehrere (beispielsweise zwei) der Wabenkern-Anordnungen gemäß Figur 4 vorzugsweise in

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gestaffelter Anordnung übereinandergeschichtet, so daß die unteren Öffnungen der Zellen 2,2' des oberen Wabenkörpers 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 Figur 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 Figur 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 überlappenden 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-Anordung abgelagert ist, die aus mehreren der zuvor beschriebenen Papier-Wabenkörper besteht, die an ihren Längsseiten miteinander verbunden und mit in ähnlicher Weise verbundenen Wabenkörpern in gestaffelter Anordnung übereinandergeschichtet 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 100mm betragen, da andernfalls die thermischen Spannungen

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infolge des Temperaturgefälles zwischen den oberen und unteren Endbereichen (Einlaß und Auslaß) der zylindrischen Zellen oder der Wabenkörper zunehmen könnten, so daß die Wabenkörper Risse bekommen. 5

In Figur 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 zwisehen zwei rechteckigen plattenförmigen porösen Keramikkörpern 9 und 10 eingefügt ist, die eine dreidimensionale Gitterstruktur aufweisen, so daß das durchströmende Fluid wiederholt auf das Gitter auftrifft. Bei dieser keramischen Struktur strömit das Fluid in Pfeilrichtung in Figur 7 durch eine freiliegende Oberfläche 11 auf der stromaufwärtigen Seite eines ersten porösen keramischen Körpers 9, durch das Innere des ersten keramischen Körpers 9, 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 freiliegenden Oberfläche 12 austritt.

Für die ersten und dritten keramischen Körper kann ein schaumförmiges Keramikmaterial verwendet werden, das in seinem Inneren eine dreidimensional verbundene offenzellige Struktur aufweist. In diesem Fall hat das schaumförmige Keramikmaterial vorzugsweise eine spezifische Raumdichte von 0,25 bis 0,7, verbundene Hohlräume mit einem mittleren Durchmesser von 0,2 bis 10mm, eine Porosität von 75 bis 95% und einen Luftdruckverlust von 0,1 bis 40mm Wassersäule beim Durchtritt der Luft durch eine Schichtdicke von 1cm mit einer Geschwindigkeit von 1m/s. Vorzugsweise sollte das schaumförmige Keramikmaterial verbundene Hohlräume mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 10mm aufweisen, damit die Druck-

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Verluste verringert werden.

Zur Herstellung eines derartigen schaumförmigen Keramikmaterials ist es zweckmäßig, einen keramischen Schlamm auf einen netzartigen, flexiblen Polyurethanschaum ohne Zellmembranen aufzubringen, anschließend zu sintern und den Polyurethanschaum durch Karbonisieren zu entfernen. Das in dieser Weise hergestellte schaumförmige Keramikmaterial weist infolge der Struktur des zellmembranlosen, netzartigen Polyurathenschaums eine käfigartige Struktur auf, die nur aus den Kantenbereichen regulärer Dudekaeder besteht. Das Material besitzt eine im Hinblick auf die Verringerung der Druckverluste ausreichende Pososität und in komplizierter Weise miteinander verbundene innere Hohlräume, die einen intensiven Kontakt des durchströmenden 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 Figur 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 Lichtdurchtritt verhindert, und anschließendes Sintern dieser Struktur hergestellt wird. Durch die Verwendung des schaumförmigen oder nadeiförmigen 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 nadeiförmige Keramikmaterial weist hinsichtlich der spezifischen Raumdichte, des mittleren Durchmessers der Hohlräume, der Porosität und des Luftdruckverlustes vorzugsweise ähnliche Eigengschaften wie das zuvor erwähnte

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schaumförmige Material auf.

Wahlweise ist es auch möglich, für die erste Schicht ein schaumförmiges Keramikmaterial und für die dritte Schicht ein nadeiförmiges Keramikmaterial zu verwenden, oder umgekehrt.

Die erste Schicht 9 auf der stromaufwartigen Seite des Wabenkörpers 3 sollte eine Dicke von weniger als 30mm, vorzugsweise weniger als 10mm 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 thermischen Spannungen gerechnet werden muß, könnnen 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 Spannungen. Die dritte Schicht weist daher bevorzugt eine Dicke von mehr als 10mm auf, damit die isolierende Wirkung gegenüber schleichenden Wärmeverlusten verbessert wird.

Bei der porösen keramischen Struktur mit dem oben beschriebenen dreifachen Schichtaufbau werden die verschiedenen thermischen Wirkungen der jeweiligen Schichten genutzt,

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um die thermischen Spannungen zu verringern und eine höhere Widerstandsfähigkeit der Struktur gegenüber thermischen 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-Strömungswiderstand und einen hohen Wärme-Kriechwiderstand aufweist, so daß eine unmittelbare übertragung thermischer Spannungen von der ersten Schicht auf die dritte Schicht verhindert wird.

Figur 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 Figur 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 Zellwände 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 ausgeglichen 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

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' Bridqestone Corpoxation

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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 Temperaturanstiegs oder eines Temperaturabfalls auftritt.

Die hohlen Zellwände bei der porösen keramischen Struktur gemäß Figuren 8 und 9 sind nicht auf eine bestimmte Gestalt beschränkt. Es ist jedoch vorteilhaft, die Hohlräume durchgehend von einem Ende der Zellwände bis zu einer Position in der Nähe des anderen Endes der Zellwand auszubilden, wie in Figur 9 gzeiegt ist. In diesem Fall haben die Hohlräume bevorzugt eine Breite im Bereich von 1/10 biε 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 aufgetragen wird, das eine ähnliche Form wie der in Figur 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 keramischen Struktur zurückbleiben. Es ist auch möglich, das Keramikmaterial an einem Ende des Wabenkörpers zu entfernen und die Hohlräume nach dem Sintern und Karbonisieren des Kernmaterials zu entfernen. Bei diesem Verfahren besteht jedoch unter Umständen der Nachteil,

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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 stromauf wärtige Seite der Fluidströmung, d.h., zur Hochtemperaturseite hin auszurichten. Wenn die offenen Ende der Hohlräume, die leicht thermisch verformbar sind, der Hochtemperaturseite 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.

Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein mit Hohlräumen in den Zellwc.nden versehener keramischer Wabenkörper entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 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 Hochtemperaturseite angeordnet, und der poröse keramische Körper 14 befindet sich auf der stromabwärtigen Seite, die eine niedrigere Temperatur aufweist. Auch in diesem FaIl 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 verringert werden, die zu einem Bruch des porösen keramischen

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Körpers führen könnten.

Für den porösen keramischen Körper 14 kann das weiter oben beschriebene schaumförmige oder nadelförmige Keramikmaterial verwendet werden.

Claims

PORÖSES KERAMISCHES ELEMENT PRIORITÄT: 05. März 1985, Japan, Nr. 60-31371 (P) PATENTANSPRÜCHE

1. Poröses keramisches Element, gekennzeichnet durch wenigstens einen keramischen Wabenkörper (3), der durch aufeinanderfolgend in einer Reihe ausgerichtete Paare geneigter zylindrischer Zellen gebildet wird, die jeweils nach Art einer schräggestellten Ziffer "S" angeordnet sind und bei dem jede einzelne Zelle eine Weite von 5 bis 30mm, eine Höhe von 10 bis 100mm und einen Neigungswinkel von 20 bis 70° aufweist.

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2. Keramisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Zellen (2, 2¹) des Wabenkörpers (3) durch Druchbrüche (6) in den Zellwänden (2) miteinander verbunden sind.

3. Keramisches Element nach Anspruch 1 oder 2, g e kennzeichnet durch wenigstens zwei stapeiförmig 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) sandwichartig zwischen äußeren porösen keramischen Körpern (9, 10) angeordnet sind, die eine dreidimensional verbundene offenzellige Struktur aufweisen.

5. Keramisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der porösen keramischen Körper (9,10) aus einem schaumförmigen Keramikmaterial mit einer dreidimensionalen Gitterstruktur besteht.

6. Keramisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der porösen keramischen Körper (9,10) durch eine Struktur aus einander überlappenden und miteinander verbundenen keramischen Nadeln gebildet wird.

7. Keramisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zellwänden (2a) des Wabenkörpers (3) Hohlräume (13) ausgebildet sind, die zu einer Stirnseite des Wabenkörpers hin geöffnet sind.