DE69810786T2

DE69810786T2 - Keramischer heissgasfilter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69810786T2
Application number: DE69810786T
Authority: DE
Inventors: Allen Chambers; Sokolinski Connolly; Matthew Domanski; Daniel Forsythe; Paramasivam Rajendran
Original assignee: Honeywell Advanced Composites Inc
Current assignee: Power Systems Composites LLC
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: WO1999003562A1; JP3449983B2; DE69810786D1; US5902363A; KR20010021990A; ES2190080T3; US6180054B1; EP1015096A1; AU7599898A; JP2001510087A; EP1015096B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbundkeramik- Kerzenfilter zur Beseitigung von Partikelschwebstoffen aus einem heißen Abgasstrom und auf ein Verfahren zur Herstellung des Filters.

Beschreibung des Standes der Technik

Keramikfilter sind bei Arbeitsprozessen getestet worden, wie zum Beispiel bei der Kohlevergasung und Kohleverbrennung, um Partikel aus den heißen Verbrennungsabgasen zu beseitigen zum Schutz der Nachfolgeeinrichtungen vor Korrosion und Erosion und zur Einhaltung der EPA-NSPS-Vorschriften (New Source Performance Standards). Keramikfilter in einer Röhren-(Kerzen-)Form, mit, einem geschlossenen Ende auf der einen Seite und, auf der anderen Seite geöffnet, haben sich bei er Beseitigung der Partikel als effizient erwiesen. Das heiße, zu filternde Abgas strömt typischerweise von außen in das Innere des Filters, während partikelfreies Gas am geöffneten Ende austritt. Die Kerzengeometrie ist auch geeignet zur Beseitigung des Filterkuchens durch Rückströmen von komprimierten Gasen.
Keramische Heißgas-Kerzenfilter müssen einer Exposition chemisch korrosiver Gasströme bei einer Temperatur von über 800º Celsius standhalten. Außerdem sind sie erheblichen thermischen Belastungen während der Rückströmreinigung ausgesetzt, welche einen katastrophalen Totalausfall des Keramikkerzenfilterelements verursachen können. WO 96/41672 offenbart einen Kerzenfilter mit einer äußeren Membranschicht, welche aus einem eng gewickelten Garn ohne irgendeinen Zwischenraum zu den angrenzenden Garnwicklungen besteht. EP-A-0 679 425 offenbart einen Kerzenfilter mit einer äußeren, kontinuierlichen Keramikaußenschicht, die eine Trägerkonstruktion bedeckt und umschließt.
Die in der Technik bekannten keramischen Heißgas-Kerzenfilter werden allgemein entweder aus porösen, monolithischen Materialien hergestellt oder aus porösen, keramische Fasern enthaltenden Kompositwerkstoffen. Monolithische Keramikkerzenfilter sind entweder nicht widerstandsfähig oder sie können bei einer Nutzung total ausfallen. Verbundfilter sind weniger empfindlich und haben allgemein eine gute Festigkeit, Zähigkeit und Wärmeschockbeständigkeit gegenüber monolithischen Keramikfiltern.
Kerzenfilter können durchgehend im ganzen Filter eine relativ gleichmäßige Porosität haben, oder sie können ein poröses Trägermaterial mit einer dünnen Schicht oder eine Membranschicht mit einer feinen Porosität an der äußeren Oberfläche des Trägers umfassen. Die Membranschicht wird typischerweise für Filter unter Verwendung einer Vielzahl von geschnittenen Keramikfasern als Träger sowie unter Verwendung von kolloidalen (oder Sol-) Materialien auf den Filter aufgebracht oder durch Bildung einer Keramikmatrix mittels chemischer Dampfinfiltration hergestellt.
Die zur Herstellung keramischer Heißgasfilter verwendeten Materialien umfassen im Allgemeinen Oxide, wie zum Beispiel Aluminiumsilicate, Glas und Aluminiumoxide, sowie Nichtoxide, wie zum Beispiel Siliciumcarbid und Siliciumnitrid. Auf Oxiden basierende Keramikfilter weisen einen adäquaten Widerstand gegenüber Abgasen und Flugasche zugunsten der zu erwartenden Lebensdauer der Filter auf; sie haben jedoch allgemein eine niedrige Wärmeschockbeständigkeit. Nichtoxidische Keramikfilter haben allgemein eine gute Wärmeschockbeständigkeit, sind jedoch empfindlich gegenüber Oxidation in einer korrosiven Umgebung, der sie ausgesetzt sind, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt.
Die in der Technik bekannten Nachteile der Keramikkerzenfilter beinhalten Ausfälle, oftmals Totalausfälle, auf Grund von thermisch induzierten Belastungen verursacht durch die Rückströmreinigung, auf Grund von chemischen Abbau, verursacht durch die in den zu filternden Heißgasen vorhandenen Spezies, Delaminierung der Membranschicht, unvollständige Beseitigung des Filterkuchens nach dem Rückströmen und hohe Kosten. Auch tendieren sie dazu, schwer zu sein, kostspielige Trägerkonstruktionen zu benötigen, um eine Gruppierung von Kerzen in der Filtereinheit zu halten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Keramik-Heißgasfilter, wie er in Patentanspruch 1 definiert ist. Vorzugsweise wird das in der Membranschicht vorhandene Garn mit dem zweiten oxidkeramischen Material vor dem Umwickeln des Trägers beschichtet. Das Trägergarn und das kontinuierliche Filament- Membrangarn enthalten bevorzugt jeweils mindestens 20 Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), und haben Erweichungspunkte von über etwa 750ºC. Die keramischen Beschichtungsmaterialien sind im Allgemeinen Partikel von Oxiden oder Oxidzusammensetzungen, oder Mischungen davon, und können auch Oxid- Prekursoren aufweisen. Vorzugsweise umfassen die vierseitig geformten Öffnungen Dimensionen von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer nach einer Wärmebehandlung, so dass der Träger als Grobfilter funktioniert. Die Membranschicht(en) hat (haben) bevorzugt Porendurchmesser von etwa 0,1 bis zu 50 Mikrometer und funktioniert(en) wie ein Oberflächenfilter. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat das Trägergarn im Allgemeinen die gleiche Zusammensetzung wie das Membrangarn und die Trägermatrix hat im Allgemeinen die gleiche Zusammensetzung wie die Membranmatrix.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Heißgasfilters, wie in Patentanspruch 9 definiert, zur Verfügung. Der Dom kann so konturiert sein, dass ein integraler, äußerer Flansch, welcher an das eine Ende des Trägers angrenzt, entsteht. Alternativ kann ein separater Bundringeinsatz auf den gleichmäßig zylindrischen Dorn aufgeschoben werden, um den Flanschteil des Trägers zu bilden. In diesem Fall hat der erhaltene Träger ein offenes Ende, das an den Flansch angrenzt, eine äußere Oberfläche und ein zweites offenes Ende gegenüber dem Ende mit dem Flansch. Das keramische Füllmaterial, das zum Auffüllen des Spalts zwischen benachbarten Wicklungen in der Membranschicht verwendet wird, ist vorzugsweise ein Oxidmaterial. Die Breite und Gleichmäßigkeit des Spalts zwischen benachbarten Bändern oder Wicklungen ist nicht besonders kritisch; jedoch ist eine gleichmäßige Auffüllung des Spalts mit Füllmaterial wünschenswert, sowohl um den Kreisumfang als auch entlang der Filterlänge. Eine Aufschlämmung ist eine geeignete Form für das Füllmaterial, weil die Aufschlämmung durch Streichen oder Sprühen oder durch Tauchbeschichtung etc. aufgetragen werden kann. Eine weitere nützliche Form zum Auftragen des keramischen Füllmaterials auf den zu entwickelnden Kerzenfilter ist eine Paste, welche dann zum Beispiel unter Verwendung eines Spatel-ähnlichen, flexiblen Applikators aufgetragen werden kann. Andere Mittel zum Verbinden des Füllmaterials mit dem zu entwickelnden Kerzenfilter sind dem Fachmann geläufig und sollten deshalb in die Bandbreite der vorliegenden Erfindung mit einbezogen werden.
Wenn die Trägerschicht gewickelt, der Trägerdorn entfernt und die Membranschicht/en ausgebildet ist/sind, wird das zweite offene Ende (gegenüber dem Flansch, falls vorhanden) unter Verwendung eines oxidkeramischen Materials geschlossen. Der Träger und die Membranschicht/en werden wärmebehandelt, um die erste Beschichtungszusammensetzung in eine poröse, feuerfeste Oxid-Trägermatrix zu überführen, sowie um die verschiedenartigen Beschichtungszusammensetzungen in eine poröse, feuerfeste Oxid- Membranmatrix zu überführen.
Die vorliegende Erfindung bietet einen festen, leichtgewichtigen Keramik- Heißgas-Kerzenfilter, der eine mehr als 99,5%ige Parfikelsammlungseffizienz besitzt und somit den EPA-NSPS-Vorschriften entspricht. Ein Ausfall des Filters ist allgemein nicht katastrophal, da - falls die Membran beschädigt ist - der Träger an der Schadensstelle auf Grund seiner Grobfiltrationseigenschaften sofort abschirmt und somit die Freigabe von Partikeln verhindert und die nachfolgenden Prozesseinrichtungen schützt, wie zum Beispiel Gasturbinen oder Sorptionsbette. Der Filter bei der vorliegenden Erfindung ist gegenüber chemischem Abbau auf Grund der verwendeten Oxidzusammensetzungen widerstandsfähig, und er bietet gleichzeitig eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit, welche im Allgemeinen nicht typisch für Oxidmaterialien ist. Die Glätte der Membranoberfläche(n) führt zu einer effizienten Beseitigung des Filterkuchens während der Rückströmreinigung. Zu den vorgenannten Vorteilen kommt hinzu, dass der Filter der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den meisten handelsüblichen Kerzenfiltern relativ niedrige Kosten aufweist.

Definitionen

Der Begriff "Keramik", wie er hierin benutzt wird, bedeutet kristalline oder teilweise kristalline Materialien oder nichtkristalline Gläser, welche im Wesentlichen anorganische, nichtmetallische Substanzen beinhalten.
Der Begriff "Endlosfaser oder Endlosfilament", wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine Faser oder ein Filament mit einer Länge, die mindestens das 1000- fache des Durchmessers der Faser oder des Filaments besitzt.
"Füllmaterial" oder "Membranfüllmaterial" bedeutet jene Substanzen in der Membranschicht, die verschieden sind von jenen Substanzen, aus denen das Garn besteht, oder dem Aufschlämmungsmaterial, das auf das Garn aufgetragen wird. So kann das Füllmaterial zum Beispiel in Form von Pulvern, Partikeln, Whiskern, geschnittenen Fasern, Plättchen, Flocken, Kügelchen, Röhrchen, Pellets etc. sein.
"Membran" oder "Membranschicht" bezieht sich hierin auf jene Schicht, die auf mindestens eine Oberfläche der Trägerschicht aufgebracht ist, eine geringere Porosität als die Trägerschicht hat, und die den überwiegenden Teil der Filterwirkung bereitstellt.
"Oxide", wie hierin verwendet, schließt ein Oxide, Oxidverbindungen (z. B. Mullit, Spinelle) oder Vorstufen davon.
"Träger" oder "Trägerschicht" bezieht sich auf die Struktur, die gebildet wird durch Wicklung von einfachen oder mehrfachen Endloskeramikfasern oder -filamenten um einen Dorn in einer netzförmigen Anordnung, damit eine regelmäßige Anordnung von rautenförmigen Öffnungen erzeugt wird. Die Funktion des Trägers oder der Trägerschicht ist es, eine geeignet starke Grundlage zu liefern, an der die Membran haftet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Filterelements der vorliegenden Erfindung einschließlich eines optionalen Flanschringabschnitts.
Fig. 1B zeigt einen Querschnitt des Filterelements, entlang, der Linie 1B-1B von Fig. 1A.
Fig. 1C zeigt einen Querschnitt des Flanschabschnitts, entlang der Linie 1C-1C von Fig. 1A.
Fig. 1 D zeigt einen Querschnitt des Flanschabschnitts, entlang der Linie 1D-1D von Fig. 1A.
Fig. 1E zeigt einen Querschnitt des geschlossenen Endes, entlang der Linie 1E-1E von Fig. 1A.
Fig. 2 zeigt Öffnungen, die durch die Überlappung zweier Garnschichten in einer Trägerschicht gebildet werden, welche eine Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Filterwand, welche den Aufbau der Membranschicht veranschaulicht.

Detaillierte Erfindungsbeschreibung und bevorzugte Ausführungsformen

Der Heißgasfilter der vorliegenden Erfindung ist ein Kerzenfiltertyp und beinhaltet einen porösen Keramikträger, mit einer porösen Keramikmembranschicht auf mindestens einer seiner Oberflächen. Speziell kann die poröse Membran auf der äußeren Oberfläche, auf der inneren Oberfläche oder sowohl auf der äußeren als auch auf der inneren Oberfläche des porösen Keramikträgers sein. Die Membran ist weniger porös als der Träger, dient als Oberflächenfilter, der ein Durchtreten von Schadstoffpartikeln verhindert. Der Träger hat eine gute Filterkapazität für Flugasche und dient als Grobfilter, welcher die Partikel zwischen der inneren und äußeren Oberfläche abfängt, sollte ein Membranleck auftreten.
Bezugnehmend auf die Fig. 1A-1E besteht der Filter 10 aus einem Träger 12 und hat eine allgemein längliche Röhrenform mit einem offenen Ende 14 an dem einen Ende in ein hohles Inneres. Das Ende 15 des Trägers gegenüber dem offenen Ende ist generell geschlossen. Der Träger beinhaltet ferner einen äußeren Flansch 16, der mit dem offenen Ende 14 integriert ist und der den Filter bei der Verwendung in einer Röhrenwand stutzt. Der Flansch kann auch einen optionalen Bundringeinsatz 24 enthalten, der in dem Flansch integriert ist, wie nachstehend detaillierter beschrieben. Die Membranschicht(en) 18, 23 wird (werden) auf der äußeren Oberfläche 20 des Trägers und/oder auf der inneren Oberfläche 22 des Trägers gebildet. Das Ende 15 wird generell durch Auffüllen mit einem Keramikmaterial 26 geschlossen und der Flanschabschnitt 16 und der an das geschlossene Ende 15 angrenzende Kopf-/Spitzenabschnitt des Trägers werden völlig verschlossen, wie nachstehend beschrieben.
Die gesamte Porosität der Trägerschicht wird durch eine Kombination des Öffnungsvolumens bestimmt, das durch die rauten- oder parallelogrammförmigen Öffnungen (Makroporen) entstanden ist und durch die Porosität der Matrixbeschichtung, umgeben von den individuellen Garnen (Mikroporen). Die Porosität der Membranschicht ist in erster Linie bedingt auf Grund der Porosität zwischen benachbarten Partikel, welche die Schicht (Mikroporen) ausmachen oder auf Grund von Mikrorissbildungen.
Die Makroporosität der Trägerschicht kann aus dem Volumen des Trägers errechnet werden (zu errechnen aus den abzumessenden Dimensionen des Trägers), aus dem Gewicht des Trägers und der Grobfilterdichte/Substratdichte des Trägers (Garn und Matrix einschließlich einer Mikroporosität). Die Grobfilterdichte wird unter Verwendung eines Quecksilber-Porosimeters gemessen.
Die Matrix wird so angewandt, dass die Kanäle im Träger nicht wirklich geschlossen werden. Die Matrix verleiht dem Träger generell Funktionsfähigkeit und mechanische Belastbarkeit und bietet auch eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit wegen der Fähigkeit der porösen Matrix, thermisch induzierte, mechanische Belastungen zu absorbieren, die sonst die Fäden im Filter brechen könnten.
Der Träger wird aus einer Vielzahl von Schichten von Endlos- Oxidkeramikgarnen gebildet, welche in einem gleichen Abstand verhetzt in spiralförmigen Wicklungen mit benachbarten Schichten angelegt sind, damit eine Vielfalt an rauten- oder vierseitigen Öffnungen mit Abmessungen zwischen 100 und 500 Mikrometer nach dem Brennen entsteht. Die Öffnungen bilden Kanäle und erstrecken sich zwischen der inneren 22 und äußeren 20 Oberfläche des Trägers, denen sich kurvenreiche, zylindrisch gewölbte Bahnen anschließen (siehe Fig. 1B). Falls der Filter beschädigt wird, zum Beispiel durch eine Beschädigung der Membranschicht während der Montage, wird er sich schnell "selbstheilen", indem er als Grobfilter funktioniert und die Partikelschwebstoffe in dem heißen Gasstrom abschirmt. Ein Träger, der eine beträchtliche Anzahl von geradlinig radialen Kanälen enthält, wird nicht so leicht abschirmen und führt so zu einem Ausfall des Filters. Forsythe, US-Patent 5,192,597, auf das hierin Bezug genommen wird, beschreibt eine Filament-Wicklung von netzförmig angelegten Keramikröhren in einer bevorzugten Wicklungsausführungsform. Die Garne in benachbarten Schichten der rautenähnlichen Ausführungsbeispiele sind in der Weise angelegt, dass die Garne, welche die Rautenwände einer Schicht bilden, die rautenförmigen Öffnungen einer jeden benachbarten Schicht hinreichend abdecken. Dies wiederum bildet eine röhrenartige Struktur, welche Anordnungen von miteinander verbundenen rautenförmigen Öffnungen umfasst, wobei jede Schicht davon den direkten Gasstrom von einer Schicht zur nächsten beeinflusst.
Das vorher beschriebene Wicklungsmuster gilt für den längeren, mittleren Körperabschnitt des Trägers (d. h. den allgemein zylindrischen Abschnitt des Filters zwischen dem Flansch und dem geschlossenen Ende). Auf Grund des konturierten, geschlossenen Endes und der Flanschabschnitte des Filters wird das beschriebene Wicklungsmuster nicht am Flansch und am geschlossenen Ende erreicht.
Fig. 2 zeigt zwei benachbarte Garnschichten in einem Träger, die gemäss US-Patent No. 5,192,597 (die Matrixschicht wird in dieser Zeichnung nicht dargestellt) hergestellt wurden und die Öffnungen sind mit einem "X" in der Zeichnung definiert. Die Größe der Öffnungen wird durch den Abstand zwischen den Garnen jeder Schicht gesteuert, welche auf Grund des Wicklungswinkels und des Fadendeniers zusammen mit der für das Garn verwendeten Menge an Matrixmaterial bestimmt wird. Der Abstand "a" zwischen benachbarten Garnen wird vorzugsweise so gesteuert, um Öffnungen mit "a"-Abmessungen zwischen etwa 100 und 500 Mikrometer beim fertigen Träger nach dem Brennen bei hohen Temperaturen zu erhalten. Die Öffnungen haben eher eine quadratische Form nahe der inneren Oberfläche des Trägers, wobei sich eine der Diagonalen mit fortschreitender Wicklung allmählich zur äußeren Oberfläche hin vergrößert, und erhalten dabei eher eine Rautenform. Die "a"-Abmessung kann, basierend auf dem Garnabstand und der für das Garn verwendeten Menge an Matrixmaterial, errechnet werden. Alternativ kann "a" visuell beim fertigen Träger gemessen werden. Ein Träger mit dem beschriebenen Aufbau und mit Öffnungen in dieser Größenordnung wird als Grobfilter funktionieren, der Partikel innerhalb der Wände des Trägers abscheidet, während er einen Druckabfall aufrechterhält, der relativ unbedeutend gegenüber dem Druckabfall in der ganzen Membranschicht ist.
Der Träger kann durch Wicklung eines Oxidkeramikgarnes auf einem entsprechend entwickelten Dorn unter Verwendung eines Filament-Wicklers gebildet werden, der so aufgebaut ist, um ein konstantes Wicklungsverhältnis (Drehzahl des Doms geteilt durch die Drehzahl des Kreuzspulhubarmes) aufrechtzuerhalten. Ein konstantes Wicklungsverhältnis ist notwendig, um die richtige Größe und Verteilung der Kanäle durch die Wände hindurch zu erhalten. Der Flanschabschnitt des Trägers wird unter Verwendung eines Doms gebildet, der an einem Ende weiter ist; das weite Ende wird konturiert, um die gewünschte Flanschgeometrie zu erhalten. Filament-Wicklung auf einem solchen Dorn erzeugt eine Röhre mit einem äußeren Flanschabschnitt am offenen Ende und einem kleinen Loch am gegenüberliegenden Ende, welches im fertigen Träger mit einem Keramikmaterial 26 generell geschlossen ist, wie in Fig. 1E dargestellt.
Alternativ kann, wenn gewünscht wird, dass die Innenwand des Trägers im Flanschabschnitt gerade und nicht konturiert sein soll, ein Filament- Wickelringeinsatz 24 verwendet werden - dargestellt in Fig. 1C und Fig. 1D - mit einer dem Träger ähnlichen Zusammensetzung und mit einem Innendurchmesser, der ungefähr gleich groß ist wie der Außendurchmesser des Doms, und eine konturierte Außenoberfläche ausweisen, um die entsprechende Flanschgeometrie zu erhalten. Der Bundringeinsatz ist dann am Dom angeordnet und der Träger wird auf dem kombinierten Dorn mit dem Bundringeinsatz gewickelt. Wenn der Träger vom Dorn entfernt wird, verbleibt zumindest ein Teil des Bundringeinsatzes am Träger als Teil des Flanschabschnittes, wie in Beispiel 2 nachstehend dargestellt wird.
Einsatztests haben gezeigt, dass Heißgas-Kerzenfilter allgemein an dem Flanschteilabschnitt ausfallen. Nach der vorliegenden Erfindung wird der Flanschabschnitt und der Aufbau des Trägers als eine eigene Einheit gebildet, um die Homogenität des Trägermaterials im ganzen Filter zu garantieren und um bei Belastungen oder Schwachstellen, die in den Dichtungsmaterialien entstehen können, Abhilfe scharfen zu können. Die Form des Flansches ist nicht entscheidend, sollte jedoch reproduzierbar sein. Der Flansch sollte eine gute Abdichtung mit der Röhrenwand zur Verfügung stellen, welche den Filter bei Gebrauch unterstützt, so dass kein Staubleck auftritt. Die Form des geschlossenen Endes ist generell rund, aber es sind verschiedene Formen durch entsprechende Formgebung des Doms möglich. Der Durchmesser der Öffnung an dem geschlossenen Ende der Röhre hängt vom Durchmesser des Schaftes ab, der den Dorn trägt.
Die Membranschicht wird auf der äußeren Oberfläche des Trägers aufgebracht, oder auf der inneren Oberfläche des Trägers, oder auf beiden Oberflächen. Die Membranschicht enthält mindestens ein rundgewickeltes, oxidkeramisches Endlosfilamentgarn und benachbarte Garnwicklungen, welche dazwischen einen Spalt bestimmen. Die Membranschicht umfasst ebenso eine oder mehrere Keramikfüllmaterialien, um die Spalten der benachbarten Garne aufzufüllen. Die Membranschicht/en im Endfilter, nach einer Wärmebehandlung, weist/weisen Porendurchmesser zwischen etwa 0,1-50 Mikrometer auf, vorzugsweise jedoch 5-25 Mikrometer. Die durchschnittliche Porengröße und die Größenverteilung sind um den Kreisumfang und entlang der Länge des Filters im Wesentlichen vorzugsweise unveränderlich.
Die Membrangarne sollten so angeordnet werden, dass eine glatte Membranoberfläche erzielt wird. Eine glatte Membranoberfläche ist, erstrebenswert, da sie die vollständige Beseitigung des während der Rückstromreinigung herausgefilterten Materials erleichtert und da sich der Filterkuchen von einer glatten Oberfläche leicht abheben lässt. Wenn die Oberfläche rau ist, neigt der Filterkuchen dazu, an der Oberfläche mechanisch verankert zu werden, und es wird somit schwierig, den Filterkuchen durch Rückstromreinigung komplett zu entfernen. Die Rundwicklung erzeugt eine glatte Membranoberfläche.
Die verwendeten Garne zur Bildung des Trägers und der Membranschicht/en umfassen vorzugsweise Keramikfasern mit Erweichungspunkten von mindestens etwa 750ºC, besonders bevorzugt mindestens 1000ºC. Der Ausdruck "Erweichungspunkt" wird hierin verwendet, um sowohl den Erweichungspunkt einer Glaskeramik als auch den Schmelzpunkt einer kristallinen Keramik zu beschreiben. Die in der/den Membranschicht/en verwendeten Garne können gleicher Art oder unterschiedlich zu den im Träger verwendeten Garnen sein.
Geeignete Oxidfasern beinhalten zum Beispiel bestimmte Fasern wie S- Glas (Hochzugfestigkeitsglas mit etwa 24-26% Aluminiumoxidgehalt (Al&sub2;O&sub3;)), "Fiber Frax" Aluminosilikatfasern und polykristalline, feuerfeste Oxidfasern mit mindestens etwa 20 Gew.-% Aluminiumoxid, wie zum Beispiel Aluminosilikatfasern, welch ein US-Patent No. 3,503,765 von Blaze offenbart sind, und bestimmte Fasern mit hohem Aluminiumoxidgehalt, offenbart in US-Patent No. 3,808,015 von Seufert, und US-Patent No. 3,853,688 von D'Ambrosio. Vorzugsweise enthalten Oxidfasern zwischen 20% und 80% Aluminiumoxidgewichtsanteil. Beispiele handelsüblicher Aluminosilikatfasern enthalten "Altex" (Sumitomo) und "Nextel" (3M)-Fasern. Fasern, die einen erheblichen Anteil der glasbildenden Oxide enthalten, wie zum Beispiel B&sub2;O&sub3; und P&sub2;O&sub5; sind nicht erstrebenswert, da sie die ganze Struktur fluxen, was zu einem dichten, unporösen Träger führt.
Fasern aus feuerfesten Oxidprekursormaterialien können auch zur Bildung des Trägers verwendet werden. Nach der Wicklung werden die Prekursorfasern durch Brennen in polykristalline, feuerfeste Oxidfasern umgewandelt zur Beseitigung der flüchtigen Stoffe, zur Umwandlung der Salze in Oxide und zur Kristallisation der Faser. Die Herstellung der feuerfesten Oxidfasern und deren Prekursoren sind in den US-Patenten No. 3,808,015 und 3,853,688 offenbart.
Die Oxidfasern haben im Allgemeinen Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 2,0 mil (0,005-0,05 mm), werden in Form von Endlosgarnen verwendet und enthalten vorzugsweise 10-2.000 oder mehr Fasern. Die Fasern sind vorzugsweise Endlosfilamentgarne, jedoch können Spinnfasern verwendet werden, insbesondere Textilglas. Die Garne sind vorzugsweise locker gezwirnt/gedreht, so dass locker gewordene oder gebrochene Enden während der Filament-Wicklung nicht stören, wenn das Garn durch kleine Düsen gezogen wird. Die Garne können auch in Form von Rovings verwendet werden. Lose, geflochtene oder texturierte Garne können somit verwendet werden. Jedoch die in der Membranschicht verwendeten Garne umfassen meist vorzugsweise Endlosfilamente, nicht texturierte Garne, um so eine Membranschicht mit einer glatten Außenoberfläche zu erhalten. Glasgarne, die kristallisieren, um feuerfeste Oxide nach einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen zu bilden, werden bevorzugt, da sie leichter zu hantieren sind und die Wahrscheinlichkeit besteht, während der Filament-Wicklung weniger zu brechen als Garne, die kristalline Keramikfasern enthalten.
Die feuerfesten Oxidmatrixkomponenten des Trägers und der Membran weisen vorzugsweise Erweichungspunkte von über 1.000ºC auf, besonders bevorzugt über etwa 1.400ºC und am meisten bevorzugt über etwa 2.000ºC. Vorzugsweise enthält die Matrix mindestens 40 Gewichtsprozent Aluminiumoxid.
Die Matrixkomponenten werden generell auf dem Träger und den Membrangarnen in Form einer Beschichtungszusammensetzung aufgetragen, welche dann gebrannt wird, um eine feuerfeste Oxidmatrix zu bilden. Die in dem Träger verwendete Beschichtungszusammensetzung kann gleich oder unterschiedlich zu der in der Membran verwendeten Beschichtungszusammensetzung sein. Die Beschichtungszusammensetzung umfasst im Allgemeinen eine wässrige Lösung, Suspension, Dispersion, Aufschlämmung, Emulsion oder dergleichen, die eine oder mehrere Oxidpartikelschwebstoffe oder Oxidprekursormaterialien aufweisen. Die Oxidpartikel haben vorzugsweise eine Teilchengröße von 1-20 Mikrometer, besonders bevorzugt 1-10 Mikrometer und am meisten bevorzugt zwischen 1-5 Mikrometer. Teilchengrößen von weniger als 20 Mikrometer werden bevorzugt, da sie leicht dispergieren und die Hohlräume zwischen den Fasern, durchdringen. Hergestellte Aufschlämmungen mit einer Partikelgröße von weniger als 1 Mikrometer sind generell zu dickflüssig für eine nützliche Feststoffkonzentration. Oxidpartikel, die als Matrixmaterial verwendbar sind, Umfassen Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Spinelle etc. Geeignete Matrixprekursoren umfassen wasserlösliche Salze von Aluminium, Magnesium, Zirconium und Calcium, wie zum Beispiel "Chlorhydrol®" (Aluminiumchlorhydratlösung-Vertrieb durch Reheis Chemical Co.), Zirconylacetat, Aluminiumoxidhydrat, basisches Aluminiumchloracetat, Aluminiumchlorid und Magnesiumacetat.
Vorzugsweise sollten Trocknungsregler-Additive, wie zum Beispiel Glycerin und Formamid der Beschichtungszusammensetzung in Mengenanteilen von 1-5 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt werden. Die Trocknungsregler-Additive verringern Trocknungsspannungen im Grünkörper und verhindern makroskopische Brüche auf der Oberfläche der bei hoher Temperatur gebrannten Filter. Darüber hinaus können Trocknungsspannungen durch Wicklung der Träger und Membranschicht(en) in einer Umgebung mit einer relativen Feuchtigkeit von mindestens etwa 30% weiter reduziert werden.
Die Beschichtungszusammensetzung umfasst vorzugsweise einen Keramikoxidprekursor, um die Grünfestigkeit der gewickelten Struktur zu erhöhen. Diese löslichen Oxidvorstufen, die als Matrixprekursoren nützlich sind, funktionieren auch als Bindemittel. Ein bevorzugtes Bindemittel ist Aluminiumchlorhydrat und insbesondere das vorher erwähnte "Chlorhydrol". Bevorzugt enthält die Beschichtungszusammensetzung zwischen etwa 10-25 Gewichtsprozent Bindemittel, errechnet auf Basis des Gesamtfeststoffgehalts der Beschichtungszusammensetzung. Das Aluminiumchlorhydrat dient dazu, die Oxidpartikel der Beschichtung miteinander zu verbinden und erhöht die Grünfestigkeit des Trägers. Die Bindemittel werden bei der Wärmebehandlung in die feuerfeste Matrix inkorporiert.
Die Beschichtungszusammensetzung kann auf dem Träger durch Ziehen des Oxidkeramikgarnes durch die Beschichtungszusammensetzung hindurch vor der Wicklung auf einem Dom aufgetragen werden. Vorzugsweise wird die Beschichtungszusammensetzung um die Fasern des Garnes gleichmäßig verteilt. Die Verteilung wird durch die Viskosität der Beschichtungszusammensetzung, das Auftragverfahren, die Dichte (oder Kompaktheit) des Garnbündels, der Beschaffenheit des Garnes und des Volumens der Beschichtungszusammensetzung beeinflusst. Die Zusammensetzung sollte eine Viskosität haben, die gering genug ist, um in den Hohlräumen des Garns einen Durchfluss und eine gewisse Durchdringung zu ermöglichen, aber ausreichend hoch, um in dem Garnbündel haften zu bleiben. Wenn die Beschichtungszusammensetzung aus einer Partikelaufschlämmung besteht, sollte der Feststoffgehalt vorzugsweise zwischen 50-75 Gewichtsprozent liegen und die Aufschlämmung eine Viskosität in der Bandbreite von 100-300 mPas/cP aufweisen. Wenn eine Beschichtungszusammensetzung sowohl mit Oxidprekursormaterial als auch mit Partikeloxidpulver angewendet wird, sollte der Feststoffgehalt der Aufschlämmung auf etwa 60-90 Gewichtsprozent des feuerfesten Oxidmatrixmaterials angepasst werden, das vom den Oxidpartikelstoff sowie von etwa 10-40 Gewichtsprozent Prekursormaterial herstammt. Es ist schwierig, einen ausreichenden Mengenanteil des oxidhaltigen Materials in der Beschichtungszusammensetzung unter Verwendung von über etwa 40% Gewichtsprozent Prekursormaterial zu erhalten. Die auf das Garn aufgetragene Menge an Matrixmaterial kann durch Ziehen des Garnes durch eine Kalibrierdüse von geeigneter Größe zur Beseitigung von überflüssiger Aufschlämmung gesteuert werden. Die Beschichtungszusammensetzung kann auch mittels Finishwalzen, Sprühen etc. auf das Garn aufgetragen werden. Die Matrixbeschichtungszusammensetzung kann außerdem auf die gewickelte Filamentmembran und den Träger durch Tauchen des gewickelten Trägers in eine Aufschlämmung, durch Abtropfen des Überschusses und anschließendes Trocknen aufgetragen werden. Zusätzliche Tauchschritte können angewandt werden, falls es notwendig wird, das gewünschte Matrixgewicht im Verhältnis zum Garngewicht im Träger zur Verfügung zu stellen. Im Allgemeinen ist es schwierig, die Matrixbeschichtungszusammensetzung durch Tauchen ohne Schließung einer beträchtlichen Anzahl der Kanäle im Träger aufzutragen, was nicht erstrebenswert ist und zu einem erhöhten Staudruck führt.
Die Membranmatrix-Beschichtungszusammensetzung kann am Membrangarn unter Verwendung der Verfahren angewandt werden, die ähnlich der für den Träger beschriebenen sind. Vorzugsweise umfasst das kombinierte Gewicht der Matrixkomponenten des Trägers und der Membranschichten etwa 40 -70% des Endgewichtes des Filters, besser wären etwa 50-60%. Um Thermobelastungen zu vermeiden, ist es vorzuziehen, dass das Trägergarn generell die gleiche Zusammensetzung wie irgendein Membrangarn aufweist, und die Trägermatrix generell die gleiche Zusammensetzung wie die Membranmatrix hat. Bei bestimmten Applikationen könnten jedoch andere Zusammensetzungen erstrebenswert sein. Aus dem gleichen Grund ist es vorzuziehen, ein Gewichtsverhältnis der Faser gegenüber der Matrix herzustellen, das im Wesentlichen das gleiche in der Membran wie im Träger ist.
Eine Membran, die eine einfache Filamentwickelschicht auf dem Träger oder an der inneren Oberfläche des Trägers aufweist, ist im Allgemeinen für vielerlei Filtrationsapplikationen geeignet. Zusätzliche Schichten gewickelten Garnes können aufgebracht werden, um die Dicke der Membranschicht zu erhöhen. Normalerweise erhöht dies die Partikelsammlungseffizienz und den Staudruck der Filter.
Die Membran wird durch bandförmige Wicklung gebildet. Das oxidkeramische Membrangarn wird mit der Membranmatrix- Beschichtungszusammensetzung beschichtet, zum Beispiel mittels Passierens durch ein Bad, das eine Beschichtungszusammensetzung enthält, mit anschließendem Passieren durch eine Kalibrierdüse, um überschüssige Aufschlämmung zu entfernen, und mittels einer Wicklung bei ungefähr 90 Grad zur Achse des Doms. Vorzugsweise wird der Durchmesser der Kalibrierdüse sorgfältig ausgewählt, um eine Matrixaufnahme zu erhalten, die ähnliche Gewichtsverhältnisse an Faser und Matrix in den Membran- und Trägerschichten liefert. Die Drehfrequenz des Doms im Verhältnis zur Bewegungsdrehzahl des Kreuzspulhubarmes steuert der Abstand zwischen den benachbarten Garnen. Fig. 3A veranschaulicht die Querschnittsansicht eines Filters, der in dieser Art von Formgebung entstanden ist, wobei "a" die Endansicht eines Garnes in einem Trägeraufbau darstellt, "b" die Endansicht eines Garnes in der bandförmig gewickelten Membran und "c" den Abstand zu den benachbarten Garnen in der bandförmig gewickelten Membran darstellt.
Eine vorsätzliche Spalte befindet sich zwischen benachbarten bandförmigen Wicklungen des mit der Aufschlämmung beschichteten Garnes.
Zusätzliches Keramikfüllmaterial (z. B. Partikel) oder ein Prekursormaterial eines Keramikfüllmaterials, vorzugsweise in Form einer Aufschlämmung, wird dann in diesem Spalt aufgebracht. Eine auf diese Art gebildete Membran wird als "Kombinationsmembran" bezeichnet. Vorzugsweise sollte eine spaltenfüllende Aufschlämmung ein Suspendiermittel enthalten; um eine gleichmäßige Konsistenz aufrechtzuerhalten. Die gewünschte Viskosität hängt von dem gewählten Applikationsverfahren ab; eine niedrige Viskosität ist am besten für eine Bürstentechnik geeignet, pastenähnlich hohe Viskosität ist mehr für die Applikation mit einem Spatel angebracht. Fig. 3 veranschaulicht die Querschnittsansicht eines Filters mit einer Kombinationsmembran, wobei "a" die Endansicht eines Garnes im Trägeraufbau darstellt, "b" stellt die Endansicht eines Garnes in der bandförmig gewickelten Membran dar, "c" stellt den Abstand zwischen den benachbarten Garnen in der bandförmig gewickelten Membran dar und "d" stellt das verwendete Füllmaterial zur Auffüllung der Zwischenräume zu den benachbarten Garnen dar. Dieses zusätzliche Keramikfüllmaterial kann aus der gleichen chemischen Zusammensetzung wie das Membranmatrixmaterial sein, welche das Membrangarn beschichtet, öderes kann eine andere chemische Zusammensetzung aufweisen. Typischerweise sind die zur Spaltenauffüllung verwendeten Komponenten größer (z. B. 25-75 Mikrometer) als jene zur Matrixbildung verwendeten Partikelstoffe (z. B. 3-5 Mikrometer). Außerdem ist der vorsätzliche Abstand "c" quasi unendlich variabel; er kann von substantiell Null bis auf ein Vielfaches des Garndurchmessers reichen.
Die vorherigen Ausführungen beziehen sich auf die Erfindungsform, bei welcher die Membranschicht auf die äußere Oberfläche der Trägerschicht aufgetragen wird. Wenn die Membranschicht auf die innere Oberfläche der, Trägerschicht aufgebracht wird, müssten die Herstellungsverfahren modifiziert werden. Zum Beispiel könnte bevorzugt werden, das Garn über den Dorn vor der Wicklung der Trägerschicht zu wickeln. Ebenso könnte bevorzugt werden, die Aufschlämmung oder Lösung auf eine bandförmig gewickelte Filamentschicht aufzubringen, wenn schon die Trägerschicht gebildet und der Dorn entfernt worden ist. Außerdem kann es unpraktisch sein, eine Aufschlämmung oder Lösung in das Innere einer Röhre durch Bürsten oder Appretieren auftragen zu wollen. In einem solchen Fall sollte Schlickergießen oder Drainagegießen die gewünschten Ergebnisse bringen.
Der Flanschabschnitt und das geschlossene Ende können durch Saturierung mit zusätzlicher Keramikaufschlämmung oder unter Verwendung einer keramischen Zementzusammensetzung verstärkt und völlig undurchlässig gegenüber Abgasströmen werden. Um chemische Reaktionen mit dem zugrundeliegenden Trägermaterial zu vermeiden und um der thermischen Ausdehnung des Trägers zu entsprechen, wird deshalb das im Träger verwendete Matrixmaterial bevorzugt. Nach Wicklung und Verstärkung eines Endes oder beider Enden wird der Kerzenfilter bei Raumtemperatur auf dem Dorn getrocknet, bis er zum Hantieren fest genug ist.
Nach einer Trocknung bei einer Umgebungstemperatur über Nacht (etwa 12-16 Stunden) werden die Enden des zu entstehenden Filters abgeschnitten, so dass der Dorn entfernt werden kann. Speziell der Ringabschluss des Filters wird so abgeschnitten, dass ein Abschnitt des Originalringes im Flanschabschnitt der Trägerschicht (siehe Fig. 1D) verbleibt.
Der entstehende Kerzenfilter kann dann bei Temperaturen unter dem Erweichungspunkt des Keramikgarnes und hoch genug über den Siedepunkt irgendwelcher flüchtiger Bestandteile gebrannt werden, normalerweise bei etwa 300ºC bis zu 800ºC, um die flüchtigen Bestandteile zu entfernen und den Filter zu stabilisieren. Dies ist besonders wichtig, wenn Oxidprekursormaterialien angewendet werden.
Das Verschließen des Kopf-/Spitzenteils kann dann unter Verwendung handelsüblicher Hochtemperaturzemente oder durch Auffüllen mit einer hochviskosen Paste (die ähnlich der Zusammensetzung der Matrix- Beschichtungsaufschlämmung ist) ausgeführt werden, welche mit einer kleinen Menge des bei der Trägerstruktur verwendeten Garntyps vermischt wird, oder durch ein Auffüllen mit einer verdickten Paste, welche dem Membranfüllmaterial ähnlich ist. Die Feststoffe in handelsüblichem Zement sollten nicht mit dem Röhrenmaterial chemisch reagieren, damit die thermische Stabilität des Filters nicht verringert wird. Es ist auch vorzuziehen, den Kerzenfilter nach vorstehender Beschreibung zu brennen, bevor ein Keramikfüllmaterial auf die Membranschicht(en) aufgetragen wird.
Anschließend wird ein zusätzliches Brennen bei hohen Temperaturen durchgeführt, normalerweise bei 1.200ºC bis 1.400ºC, zur Bildung stabiler kristalliner Phasen. Brennen bei über 1.450ºC kann einige der Phasen zum Schmelzen bringen und zu einem geschmolzenen Produkt führen, was auf Grund der reduzierten thermo-mechanischen Eigenschaften nicht erstrebenswert ist. Vorzugsweise übersteigt die Heizrate während des Hpchtemperaturbrennens nicht 20ºC pro Minute, um etwa vorhandenen Glasphasen das Kristallisieren zu ermöglichen, und kann bis zu 0,1ºC pro Minute heruntergehen. Während des Hochtemperaturbrennens können Glasfasern zu kristallinen Phasen entglasen, die Matrix kann in stabile kristalline Phasen übergehen oder die kristallinen Phasen in der Faser und der Matrix können unter Bildung neuer stabiler kristalliner Phasen reagieren. Die Endphasenzusammensetzung des Produktes hängt von der Anzahl der Fasern und der Matrix ab, dem Heizprofil, der Durchwärmzeit bei Zwischentemperaturen und der Einsatzzeit bei der höchsten Brenntemperatur. Die typischen kristallinen Phasen sind Korund, Mullit, Cordierit, und Cristobalit. Mit dem hierin verwendeten Begriff Cordierit wird beabsichtigt, Indialit miteinzubeziehen, ein kristallines Material, das die gleiche Zusammensetzung wie Cordierit aufweist, aber mit einer leicht ungeordneten, kristallinen Struktur. Eine überschüssige Cristobalitbildung ist nicht erstrebenswert, da Cristobalit bei 200-270ºC einer Volumenänderung unterliegt, was zu einer geringen Wärmeschockbeständigkeit beiträgt. Der Endfilter sollte nicht mehr als 10 Gew.-% an Cristobalit enthalten. Vorzugsweise besteht die Endzusammensetzung des Filters aus 3-7 Gewichtsteile Magnesiumoxid, 20-45 Gewichtsteile Siliciumdioxid und 45-70 Gewichtsteile Aluminiumoxid. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Endfilter zwischen etwa 60-70% Aluminiumoxid aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das zur Herstellung des Trägers und der Membran verwendete Garn Glasfasern, die 61-66% SiO&sub2;, 24-26% Al&sub2;O&sub3; und 9-10% MgO beinhalten. Eine Beschichtungszusammensetzung, welche im Wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht, wird auf das Garn vor der Wicklung in einer ausreichenden Menge aufgetragen zur Herstellung einer feuerfesten Oxidmatrix, welche 40-70% des Filterendgewichts ausmacht. Die Beschichtungszusammensetzung enthält ein Bindemittel, das Aluminium- Chlorhydrat und Aluminiumoxid-Matrixpartikel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2-3 Mikrometer umfasst. Die Membran wird auf dem Träger oder den Dorn durch bandförmige Wicklung appliziert. Das so gewickelte Filterelement wird erhitzt, um flüchtige Bestandteile zu beseitigen und wird dann bei hoher Temperatur von über etwa 1.350ºC gebrannt, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 1.380ºC. Während des Hochtemperaturbrennens erweicht die Glasfaser und ein Teil des Siliciumdioxids und Magnesiumoxids in dem Glas verbinden sich mit dem Aluminiumoxid-Matrixmaterial unter Bildung von Cordierit und Mullit. Der Endfilter umfasst etwa 20-40 Gew.-% SiO&sub2;, etwa 3-6 Gew.-% MgO und etwa 50-70 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;. Die endgültige kristalline Zusammensetzung nach der Erhitzung besteht aus 25-40% Cordierit, 5-15% Mullit, 40-60% Korund und 0-10% Cristobalit auf Basis des gesamten kristallinen Gehalts. Ungefähr 50-90 Vol.% des Materials sind kristallin, während der Rest amorph ist. Die Bildung der Kristalle aus Mullit, Cordierit und Korund, wovon jedes unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzt, führt zur Mikrorissbildung in der Struktur. Die Mikroriss bilden sich sowohl entlang der Kristallgrenzen als auch in Innenbereichen, die nur eine einzige Kristallphase aufweisen. Es wird angenommen, dass Mikrorisse durch Wärmeschock verursachte Belastungen absorbieren. Nach dem Brennen ist der Filter stabil bis zu 1.200ºC für längere Zeit und weist eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit auf.

Beispiel

Alle hierin enthaltenen Prozentangaben sind in Gewichtsprozent, außer etwas anderes ist angeführt.
Der verwendete Filament-Wickler zur Wicklung des Trägers, wie nachstehend beschrieben, hatte einen kettenangetriebenen Kreuzspulhubarm von ungefähr 70 Zoll (178 cm), (278 Zähne mit 0,5 Zoll (1,27 cm) Zahnabstand, durch eine enge Schleife passierend, angetrieben und getragen von einem 11zähnigen Antriebsrad an jedem Ende). Die Antriebsgeschwindigkeit wurde so eingestellt, dass die Spulmaschinenspindel bei einer Drehzahl von 50 und 10/111 Umdrehungen für jeden vollständigen Umlauf der Kettenschleife zum Aufwickeln des Filterträgers rotierte. Der Dorn war eine Röhre mit einer Länge von 65 Zoll (165 cm) und einem äußeren Durchmesser von 1,75 Zoll (4,45 cm) mit Endabschlüssen an jedem Ende. Einer der Endabschlüsse war konisch mit einer ungefähr 30 Grad Verjüngung auf jeder Seite des Kegels mit einer 0,50 Zoll (1,27 cm) Durchmesser großen Antriebswelle, welche an der Achse montiert war. Der zweite Endabschluss war halbkugelförmig (1,75 Zoll (4,45 cm) Durchmesser) mit einer 0,25 Zoll (0,64 cm) an der Achse montierten Antriebswelle. Der Dorn wurde an die Spulmaschinenspindel angeschlossen und von ihr angetrieben, und zwar in einer solchen Position, um seiner Länge nach mit der Kreuzgarnführung überkreuzt zu sein. Der Dorn wurde an die Spulmaschinenspindel angeschlossen und von ihr angetrieben mittels der 0,50 Zoll (1,27 cm) Antriebswelle und unterstützt von einem Lager an der 0,25 Zoll (0,64 cm) Antriebswelle. Sie wurde parallel an der kettenangetriebenen Bandkreuzführung so befestigt, dass die Führung oberhalb in einem Abstand von ungefähr 0,75 Zoll (1,91 cm) die Dornoberfläche kreuzte und sich die Hublänge des Kolbens von ungefähr 0,75 Zoll (1,91 cm) nach dem halbkugelförmigen Abschluss auf die 0,28 Zoll (0,64 cm) Antriebswelle und von ungefähr 0,75 Zoll (1,91 cm) nach dem konischen Abschluss auf die 0,5 Zoll-Größe (1,27 cm) der Antriebswelle erweiterte.
Ein separater Wickler mit einem 6 Zoll (15,2 cm) Querhub mit Mitteln, um diesen Hub an die Konturierung der Packungsenden anzupassen, wurde angewandt, um einen Bundringeinsatz für den Flanschabschnitt des Filters zu bilden. Die Antriebsgeschwindigkeit wurde so eingestellt, dass die Spulmaschinenspindel mit einer Drehzahl von 4 und 11/180 Umdrehungen für jeden vollständigen Umlauf der Kreuzhubarmnockenwelle rotierte, um den gleichen Wicklungswinkel in dem Bundringeinsatz wie beim Träger zu ergeben. Ein Dorn, der ein kurzes Stück einer Röhre mit 1,75 Zoll (4,45 cm) Außendurchmesser umfaßte, wurde an die Spulmaschinenspindel montiert und mit 2 Schichten 0,002 Zoll (0,005 cm) dicker "Mylar" Polyesterfilmschicht umwickelt, um das Entfernen der gewickelten Einheit zu erleichtern. Der Dorn wurde mit 90 Gramm S-Glas (S-2 CG150 Vi 636, erhältlich bei Owens-Corning Fiberglas Corporation of Toledo, Ohio) umwickelt, welcher mit einer wässrigen A- 17 Aluminiumoxid-Aufschlämmung beschichtet wurde (siehe Anwendungsbeispiel 1 über die Zusammensetzung der Aufschlämmung) sowie mit einer Solchen Menge appliziert zur Bildung einer Wickeleinheit mit 50-60 Gewichtsprozent Keramik aus der Aufschlämmung und 40-50 Gewichtsprozent Keramik, die vom Beschickungsgarn nach der Trocknung herstammt. Der gewickelte Bundringeinsatz hatte die Form eines Zylinders von ungefähr 1,75 Zoll (4,45 cm) Innendurchmesser und eine 3/8 Zoll (0,95 cm) Wandstärke mit den Enden der Zylinderwände, welche eine Verjüngung von ungefähr 45º aufwiesen. Der Bundringeinsatz wurde vom Dorn entfernt, als er noch nass war, und auf den Dorn des Haupt-Filament-Wicklers transferiert, wie vorher beschrieben. Der Bundringeinsatz wurde so positioniert, um ungefähr 57 Zoll (145 cm) des geraden Röhrenteilstücks des Domes übrig zu lassen, der zwischen dem Einsatzrand und der Verbindung der Röhre mit dem halbkugelförmigen Endabschluss freigelegt wurde.
Die Filterträgereinheit wurde auf dem Dorn mit dem Bundringeinsatz gewickelt und darauf montiert. Die Wicklung wurde mit einer Spindeleinstellung bei einer Drehfrequenz von ungefähr 500-520 Umdrehungen pro Minute durchgeführt. Die fertigen (gebrannten) Trägereinheiten hatten rautenförmige Öffnungen auf der äußeren Oberfläche mit Dimensionen von etwa 175-250 Mikrometer.

Messtechniken

Die Dichte und Porosität der Membranschicht wurde unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters bestimmt. Membranproben wurden für Porosimetermessungen hergestellt. Die Membranschicht kann leicht vom Träger vor dem Brennen des Kerzenaufbaus abgetrennt werden. Die abgehobene Membranschicht wird dann bei hohen Temperaturen gebrannt und Porosimetermessungen unterzogen. Alternativ kann die Membranprobe durch Abkratzen der Trägerschicht von einer Probe des bei hoher Temperatur gebrannten Kerzenaufbaus bereitgestellt werden. Der Medianwert der Porengröße wird in Mikrometer und die Porosität in Volumenprozent aufgezeichnet. Der Medianwert der Porengröße entspricht dem bei einem maximalen Intrusionsvolumen erhaltenen Wert.
Die durchschnittliche Oxidzusammensetzung wurde mittels einer Röntgenfluoreszenzspektroskopie bestimmt. Die Proben und Standards wurden in einem Lithiumtetraborat-Flussmittel geschmolzen und die Röntgenemissionslinien für die Elemente von Interesse wurden gemessen. Die Ergebnisse sind als Gewichtsprozent mit den bei 130ºC getrockneten Proben aufgezeichnet.
Kristalline Phasenzusammensetzungen wurden mit Röntgenbeugung unter Verwendung eines Scintag Pad X Theta-Theta Diffraktometers mittels Cu K- Alpha-Strahlung bestimmt. Nachfolgende Bedingungen wurden angewandt: eine Kupferröhre, betrieben bei 45 Kilovolt, 40 Milleampere, Goniometerradius 250 mm, Strahldivergenz 0,24 Grad, Streuspalt 0,43 Grad, Empfangsspalt 0,2 mm, Germanium-Solid-Stäte-Detektorvorspannung 1.000 V, Scan-Geschwindigkeit 0,2 Grad 2-Theta pro Minute, Hackzunahme 0,03 Grad 2-Theta, Scanbereich 3 bis 112 Grad 2-Theta (Übernacht-Scannen), Proben frontgepackt gegen Filtrierpapier in einem 1 Quadratzoll großen Aluminium-Probenhalter, einfacher Probenwechsler. Die Proben wurden 5 Minuten lang in Aceton in einer McCrone Vibrationsmühle nassgemahlt unter Verwendung von Korund-Mahlelementen und dann unter einer Wärmelampe getrocknet. Der Prozentsatz der kristallinen Phasen wurde auf Grundlage einer Mischung von Standardmaterialien mit 20% Fluorit als internem Standard bestimmt. Die verwendeten Standardmaterialien wären NIST (NBS) 674 Alpha-Aluminiumoxid (Korund), Baikowski-hochreiner Kordierit-(Indialit-)-Standard, Coors-Mullit-Standard, NIST (NBS) 1879 Cristobalit, NIST (NBS) 1878 Quarz und Coors-Spinell-Standardt. Die Proben selbst wurden nicht mit einem internen Standard gemischt, sondern wurden auf 100% der kristallinen Komponenten normalisiert, nachdem jede gemessene Intensität durch ihre entsprechenden Bezugsintensitätsverhältnisse geteilt wurde. Analyselinien waren: Indialit bei 10,4, 18,2 und 29,5 Grad; Mullit bei 16,5 und 26,1 Grad, Korund bei 25,6 und 52,6 Grad, Cristobalit bei 21,8 Grad (Überlappung wurde für Indialit korrigiert) und Quarz bei 20,8 Grad.

Herstellung eines filamentgewickelten Keramik-Heißgasfilters, welcher eine Membron vom "Kombinations"-Typ aufweist

Als erstes wurde eine Aufschlämmung zur Beschichtung der Garne unter Beschickung eines Mischkessels mit etwa 90 kg "Chlorhydrol®50%" Aluminiumchlorhydratlösung (Reheis, Inc., Berkeley Heights, NJ) hergestellt. Während des Verrührens wurden etwa 113 kg Aluminiumoxidpulver Grade A-27 (2-3 Mikrometer Ave. Partikelgröße, Alcoa Industrial Chemicals Div., Bauxite, AR) und etwa 1.435 g Salzsäure der Lösung beigegeben.
Als nächstes wurde ein Filament-Wickelringeinsatz (wie vorstehend beschrieben) auf dem Dorn nahe der 57 Zoll (145 cm) -Stelle (wie vorstehend beschrieben) zur Bildung des späteren Flanschabschnitts eingesetzt.
Ein 2-strähniges Glasgarn (150 Filamente pro Strang), Umfassend 65,2% SiO&sub2;, 23,8% Al&sub2;O&sub3;., und 10,0% MgO mit einer hydrophilen Schlichte, um das Benetzen durch eine wässrige Beschichtungszusammensetzung zu unterstützen (S-Glas, Bezeichnung S-2 CG150 1/2 636, erhältlich bei Owens-Corning Fiberglass Corporation), wurde durch einen Kugelspanner zugeführt, durch die Aluminiumoxid-Aufschlämmung geleitet und durch eine 0,017 Zoll (0,043 cm) Durchmesser große Kalibrierdüse gezogen, um die überschüssige Aufschlämmung zu entfernen. Die Kalibrierdüse steuerte die Menge der auf das Garn aufgetragenen Aufschlämmung, so dass nach dem Trocknen etwa 50-60 Gew.-% der Keramik im Träger von der Aufschlämmung stammte Lind etwa 40-50 Gew.-% vom Garn. Das nasse Garn wurde dann durch eine Führung geschleust, welche am Kreuzspulhubarm der Filament-Wickelmaschine angeschlossen war, und auf dem vorher beschriebenen konturierten Dorn aufgewickelt, der mit 2 Schichten 0,002 Zoll (0,005 cm) "Mylar" Polyesterfilmlagen umwickelt ist. Die Wicklung wurde beendet, nachdem etwa 1.000 Gramm Garn auf den Dorn gewickelt worden waren, als der Träger den gewünschten äußeren Durchmesser (ungefähr 60 mm) erreichte.
Der Dorn mit dem Träger und dem Bundringeinsatz darauf wurde dann zu einen Spezialwickler transferiert. Das Flanschende der zu entwickelnden ". Filtereinheit wurde dann folgendermaßen verstärkt: Während der Dorn mit etwa 100 UpM rotiert, wurden etwa 20 ccm der vorher beschriebenen, für die Garnbeschichtung verwendeten Aluminiumoxid-Aufschlämmung langsam auf den Flanschbereich geschüttet, vom Schulteransatz des Flansches hinzu etwa 1,5 Zoll (3,7 cm) unterhalb des Bundringeinsatzes. Als die Aufschlämmung im Flansch durch Kapillarwirkung absorbiert war und keine überschüssige Aufschlämmung mehr auf der Oberfläche vorhanden war, begann der Aufbau der Membranschicht.
Der Garnanteil der Membranschicht wurde durch bandförmige Wicklung appliziert. Der zur Bildung der Membranschicht verwendete Filament-Wickler hatte einen Schrauben-betriebenen Kreuzbewegungsspindel-Hubarm mit einer so eingestellten Antriebsgeschwindigkeit, dass sich die Spindel bei einer Drehzahl von etwa 46,8 Umdrehungen für je 1 Zoll (2,54 cm) Hublänge der Kreuzspularmführung drehte und dass dadurch das Garn in einem Abstand von 46,8 Garnen pro Linearzoll (18,4 Garne pro Linear-cm) der Röhrenoberfläche platziert wurde. Diese Abstandseinteilung dient dazu, eine Spalte zwischen den Wicklungen zu lassen, die der B reite des Garnes in etwa gleich ist. Das Garn wurde in der A-17/Chlorhydrol® Aluminiumoxid-Aufschlämmung getränkt und vor dem Aufwickeln durch eine 0,017 Zoll (0,043 cm) Durchmesser große Kalibrierdüse hindurchgezogen. Die Rundwicklung wurde über die gesamte Länge des Filters, des unteren Endes, und den Flanschabschnitt durchgeführt. Während des Wickelns, wurde eine Luftfeuchtigkeit von mindestens 30 Prozent aufrechterhalten.
Wärmelötpistolen wurden während der fortwährenden Rotation für mindestens 20 Minuten eingesetzt, um die verstärkten Bereiche zu trocknen. Der entstehende Filter mit dem Dorn wurde dann von der Wicklungsvorrichtung entfernt und in ein vertikales Trägerregal gelegt.
Nach der Trocknung über Nacht (etwa 12-16 Stunden) bei Raumtemperatur wurden die Enden des entstehenden Filters abgeschnitten, so dass der Dorn entfernt werden konnte. Der Bundringteil des Filters wurde so aufgeteilt, dass ein Abschnitt des Originalbundrings im Flanschabschnitt der Trägerschicht verblieb. Der entstehende Filter wurde dann von Raumtemperatur auf eine Temperatur von etwa 700ºC in einem Muffelofen erhitzt, der mit einem Salzsäurewäscher ausgestattet ist. Nach Einhaltung dieser niedrigen Brenntemperatur für ungefähr eine Stunde wurde der Brennofen und sein Inhalt abkühlen gelassen.
Als nächstes wurde eine Paste zur Schließung des Kopf-/Spitzendes der. Röhre und zum Auffüllen der Spalte zwischen den Wicklungen in der Membranschicht hergestellt. Speziell wurden etwa 980 g deionisiertes/vollentsalztes Wasser in einem offenen Behälter abgemessen. Während des Umrührens wurde etwa 20 g "Superloid" (Kelco Co., San Diego, CA) Ammoniumalginat beigefügt. Das Umrühren dieser Mischung dauerte so lange, bis eine glatt fließende Lösung, die frei von Gelpartikeln war, erhalten wurde. Dann wurde während des Umrührens etwa 330 g Talkum (Grade MP 12-62, hergestellt von Minerals Technologies) der Lösung beigegeben. Als das Talkum gleichmäßig dispergiert war, wurden nach und nach zusätzlich 2.700 g der 320 Körnung 38 Alundum®-Aluminiumoxid-Partikel (Norton-St. Gobain, Worcester, MA, 32 Mikrometer mittlere Teilchengröße) beigegeben. Das Vermischen dauerte an, bis eine glatte Paste ohne ersichtliche Klumpen und Agglomerate erhalten wurde.
Der niedrig gebrannte Kerzenfilter wurde auf einen Dom zurückgeschoben und auf die Wicklungseinrichtung zurückgebracht. Der Dorn wurde mit ungefähr 100 UpM gedreht, während die Partikelpaste auf die Oberfläche des Filters mit einem Plastikspatel aufgetragen wurde. Genügend Druck und "Zug" wurde dann mit einem sauberen Spatel angewandt, um das meiste des überschüssigen Materials zu entfernen. Eine Querschnittsansicht der Röhrenwand ist in Fig. 3 dargestellt.
Nach Entfernen des entstehenden Kerzenfilters vom Dom wurde die 1/4 Zoll (6 mm) Durchmesser große Öffnung an der Spitze der Kerze mit der vorher angegebenen Paste gefüllt. Nach Trocknung über Nacht wurde eine 1,25 Zoll (32 mm) Durchmesser große, 4 Zoll (102 mm) lange, 40 Watt leuchtende Glühbirne in das offene Ende des Filters eingesetzt. Die ganze Raumbeleuchtung wurde ausgeschaltet und die Oberfläche des Filters überprüft. An jeder Stelle, wo Punktlichte ("Pinholes") erschienen, wurde zusätzliche Partikelpaste aufgetragen.
Der Kerzenfilter wurde dann bei hoher Temperatur wie folgt gebrannt: Der Kerzenfilter wurde in einen Luftatmosphären-Ofen von etwa Umgebungstemperatur (d. h. etwa 20ºC) eingebracht. Die Brennofentemperatur wurde auf etwa 800ºC innerhalb von etwa 40 Minuten erhöht, ungefähr 1 Stunde beibehalten, dann auf etwa 1.300ºC mit einer Rate von 2º pro Minute erhöht, ungefähr 2 Stunden beibehalten, dann auf etwa 1.380ºC mit einer Rate von 1º pro Minute erhöht, ungefähr 2 Stunden beibehalten, dann abgekühlt auf etwa 800ºC mit einer Rate von ungefähr 5ºC pro Minute, und schließlich wurde der Brennofen auf etwa 200ºC abgekühlt. Der Brennofen wurde dann geöffnet und sein Inhalt auf natürliche Weise auf Umgebungstemperatur abkühlen gelassen.

Claims

1. Keramischer Filter umfassend:

einen porösen länglichen Filterträger, der eine Außenoberfläche, eine Öffnung an einem Ende in ein hohles Inneres, das zum Teil durch eine Innenoberfläche definiert wird, und ein geschlossenes Ende gegenüber dem offenen Ende aufweist, wobei der Träger durch mehrere Schichten aus oxid keramischem Garn gebildet wird und jede Schicht in netzförmiger Beziehung zu benachbarten Schichten angeordnet ist unter Bildung einer Vielzahl von vierseitig geformten Öffnungen, wobei das Garn mit einem ersten oxidkeramischen Material beschichtet ist, das bei Wärmebehandlung eine poröse Trägermatrix aus einem feuerfesten Oxid ergibt; und

eine poröse Membranschicht, welche die Außenoberfläche oder Innenoberfläche des Trägers kontaktiert, wobei die Membranschicht weniger porös ist als der Träger und mindestens ein kreisförmig gewickeltes oxidkeramisches Endlosfilamentgarn umfasst, das mit einem zweiten oxidkeramischen Material beschichtet ist, das bei Wärmebehandlung eine poröse Membranmatrix aus einem feuerfesten Oxid ergibt,

dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Wicklungen des keramischen Garns einen dazwischenliegenden Spalt definieren und der Filter mindestens ein keramisches Füllmaterial umfasst, das in dem Spalt angeordnet und darin im wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.

2. Keramischer Filter nach Anspruch 1, der ferner einen äußeren, mildern offenen Ende des Trägers integrierten Flansch umfasst.

3. Filter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine keramische Füllmaterial eine Form, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pulvern, Partikeln, Whiskers, geschnittenen Fasern, Plättchen, Flocken, Kügelchen, Röhrchen und Pellets, umfasst.

4. Filter nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen etwa 40 und etwa 70 Prozent des Gesamtgewichts des Filters von dem kombinierten Gewicht der Trägermatrix und der Membranmatrix stammen.

5. Filter nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergarn im allgemeinen dieselbe Zusammensetzung wie das Endlosfilament-Membrangarn hat und das erste oxidkeramische Material im allgemeinen dieselbe Zusammensetzung wie das zweite oxidkeramische Material hat.

6. Filter nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Garn zu Matrix in der Membranschicht im wesentlichen dasselbe ist wie in dem Träger.

7. Filter nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite oxidkeramische Material Teilchen umfassen und dass ferner die Form des mindestens einen keramischen Füllmaterials eine Größe hat, die größer ist als die Größe der Teilchen.

8. Filter nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht die Außenoberfläche des Trägers kontaktiert und durch ein Verfahren hergestellt wird, welches umfasst:

(a) Fertigen des länglichen porösen Filterträgers durch Beschichten von oxidkeramischem Trägergarn mit einer ersten Beschichtungszusammensetzung, Aufwickeln des beschichteten, oxidkeramischen Trägergarns auf einen Dorn unter Bildung mehrerer Schichten des beschichteten Trägergarns, wobei jede Schicht in netzförmiger Beziehung zu benachbarten Schichten angeordnet ist unter Bildung einer Vielzahl von vierseitig geformten Öffnungen, wobei die erste Beschichtungszusammensetzung bei Wärmebehandlung eine poröse Trägermatrix aus einem feuerfesten Oxid ergibt;

(b) Beschichten mindestens eines oxidischen Endlosfilament- Membrangarns mit einer zweiten Beschichtungszusammensetzung und Aufwickeln des beschichteten Garns auf den Filterträger, wobei das Aufwickeln so durchgeführt wird, dass ein Spalt zwischen benachbarten Wicklungen des beschichteten Garns verbleibt;

(c) Einbringen einer Aufschlämmung oder Paste, die ein Suspendiermittel und mindestens ein keramisches Füllmaterial umfasst, in den Spalt;

(d) Trocknen der Paste unter Bildung der Membranschicht; und

(e) Brennen des Trägers und der Membranschichten.

9. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filters umfassend:

Fertigen eines länglichen porösen Filterträgers durch Beschichten von oxidkeramischem, Trägergarn mit einer ersten Beschichtungszusammen-setzung, Aufwickeln des beschichteten, oxidkeramischen Trägergarns auf einen Dorn unter Bildung mehrerer Schichten des beschichteten Trägergarns, wobei jede Schicht in, netzförmiger Beziehung zu benachbarten Schichten angeordnet ist unter Bildung einer Vielzahl von vierseitig geformten Öffnungen, wobei die erste Beschichtungszusammensetzung bei Wärmebehandlung eine poröse Trägermatrix aus einem feuerfesten Oxid ergibt;

Aufwickeln mindestens eines oxidischen Endlosfilament- Membrangarns auf den porösen Filterträger, wobei das Membrangarn eine zweite Beschichtungszusammensetzung aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst, dass das Aufwickeln so durchgeführt wird, dass Spalte zwischen benachbarten Wicklungen des Garns verbleiben;

Aufbringen mindestens eines keramischen Füllmaterials auf das bandförmig gewickelte Garn, wodurch die Spalte zwischen benachbarten Garnwicklungen gefüllt werden;

Entfernen von überschüssigem keramischem Füllmaterial unter;

Bildung einer Membranschicht; und

Brennen des Trägers und der Membranschichten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ersten und zweiten Beschichtungszusammensetzungen eine wässrige Aufschlämmung einer oxidkeramischen Teilchenmaterials umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ersten und zweiten Beschichtungszusammensetzungen eine oxidkeramische Vorstufe umfasst.