Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING A HEAT TRANSFER MEDIUM AND HEAT TRANSFER MEDIUM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/015571
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a heat transfer medium comprising molded parts having or bounding channels and made of ceramic material. In order to ensure good heat transfer and simple production, the invention proposes that preforms are made from paper comprising at least cellulose fibers and at least one filler material, and the paper preforms are then carbonized for forming the molded parts or segments thereof.

Inventors:
WEISS ROLAND (DE)
LAUER ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/061270
Publication Date:
February 10, 2011
Filing Date:
August 03, 2010
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SCHUNK KOHLENSTOFFTECHNIK GMBH (DE)
WEISS ROLAND (DE)
LAUER ANDREAS (DE)
International Classes:
C04B35/573; F28F21/02; F28F21/04
Domestic Patent References:
WO2008006900A12008-01-17
WO2003050058A12003-06-19
WO2003050058A12003-06-19
Foreign References:
EP1284251A12003-02-19
EP1528049A12005-05-04
JP2005047014A2005-02-24
DE102006022598A12007-04-19
EP1840264A12007-10-03
US20050084717A12005-04-21
DE1393342U
US20020011683A12002-01-31
EP1284251A12003-02-19
DE19713068A11998-10-01
JP2005047014A2005-02-24
DE10161108A12003-06-26
Other References:
"Shaped silicon carbide body prodn. from fine powder - by adding to paper-making slurry, forming into sheet, drying, shaping and firing", WPI / THOMSON, 27 September 1982 (1982-09-27), XP002409606
NAHUM TRAVITZKY ET AL.: "Preceramic Paper-Derived Ceramics", J. AM. CERAM. SOC., vol. 91, no. 11, 2008, pages 3477 - 3492, XP002602625
Attorney, Agent or Firm:
STOFFREGEN, Hans-Herbert (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers sowie Wärmeübertrager

1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers umfassend insbesondere Fluide führende Kanäle aufweisende oder begrenzende Formteile aus keramischen Material, gekennzeichnet durch

die Verfahrensschritte:

Herstellen von Preformen aus Papier, das zumindest Zellulosefasern und zumindest einen Füllstoff enthält, und

Carbonisieren der Papierpreformen zur Bildung der Formteile oder Abschnitte dieser.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Papierpreformen vor oder nach dem Carbonisieren zur Bildung des Wärmeübertragers oder zumindest eines Teils von diesem verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die carbonisierte Papierpreform siliciert wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Füllstoff ein carbonisierbarer Füllstoff verwendet wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Füllstoff Ruß verwendet wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass als Füllstoff ein reaktiver Füllstoff wie Si oder B4C verwendet wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Füllstoff ein Keramikfüllstoff wie Al2O3 oder ZrO2 verwendet wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass dem zu carbonisierendem Papier als Additiv ein Bindemittel wie Phenolharz und/oder Zellulose beigegeben wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllstoff mit einem Gewichtsanteil G mit 30 Gew.% < G < 95 Gew.%, insbesondere 60 Gew.% < G < 90 Gew.%, bezogen auf die aus Zellulosefasern und dem Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers bei der Herstellung des Papiers in diese eingebracht wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die carbonisierte Papierpreform mit Reinstsilicium siliciert wird.

11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die pyrolysierte Papierpreform mit Reinstsilicium im Überschuss oder Unter- schuss siliciert wird.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die carbonisierte Papierpreform mittels einer Siliciumschmelze siliciert wird.

13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die pyrolisierte Papierpreform in einem Reaktionsraum bei einem Druck p mit 50 mbar < p < 0,05 mbar, vorzugsweise p in etwa 0,1 mbar siliciert wird.

14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Reaktion der carbonisierten Papierpreform mit Si zu SiC bei einer Temperatur T mit 13500C < T < 20000C, vorzugsweise mit 1650 ° < T < 17000C durchgeführt wird.

15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Papierpreform ein eine Wellpappengeometrie aufweisendes Papier bzw. Papierlagen verwendet werden.

16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Papierpreform ein geprägtes Papier verwendet wird.

17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Papierpreform eine solche verwendet wird, die drei Lagen mit einer ebenen ersten Lage, einer mit dieser verbundenen eine Wellengeometrie aufweisenden Zwischenlage und einer mit dieser verbundenen und diese abdeckenden ebenen dritten Lage umfasst.

18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass als Papier für die Preform ein solches verwendet wird, das während der Pyrolyse bis zu 60 % schrumpft und/oder eine Koksausbeute zwischen 20 % und 60 % aufweist.

19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Wärmeübertrager endseitig z. B. mit einer trichterförmig ausgebildeten Zuführ- oder Abführöffnung versehen wird, die aus einem Keramikbauteil besteht, das durch Pyrolysieren eines zellulosehaltigen, insbesondere lignozellulose- haltigen Halbzeugformteils, vorzugsweise in Form einer Faserplatte, keramisiert wird.

20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Faserplatte eine mitteldichte Faserplatte verwendet wird.

21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Faserplatte eine hochdichte Faserplatte verwendet wird.

22. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die mitteldichte bzw. hochdichte Faserplatte als Halbzeugformteil eine Ausgangsdichte von insbesondere 600 kg/m3 bis 850 kg/m3 für die mitteldichte Faserplatte bzw. insbesondere 850 kg/m3 bis 1050 kg/m3 für die hochdichte Faserplatte aufweist und dass die Halbzeugformteile nach dem Pyrolysieren eine Dichte zwischen 500 kg/m3 und 700 kg/m3 bzw.700 kg/m3 und 900 kg/m3 aufweisen.

23. Wärmeübertrager (10) umfassend insbesondere Fluide führende Kanäle aufweisende oder begrenzende Formteile (16, 20, 33) aus keramischem Material, insbesondere Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifizierapparat, dadurch gekennzeichnet,

dass die Formteile (16, 20, 33) aus keramisierten Papierpreformen bestehen.

24. Wärmeübertrager nach Anspruch 23,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Papier der Preform zumindest Zellulosefasern und zumindest einen Füllstoff enthält.

25. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 oder 24,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllstoff ein reaktiver Füllstoff wie Silicium oder Bor ist.

26. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 25,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Füllstoff aus der Gruppe Ruß, SiC, Si, B und keramischer Füllstoff wie Al2O3 oder ZrO2 ausgewählt ist.

27. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 26,

dadurch gekennzeichnet,

dass die keramisierte Papierpreform in SiC umgewandeltes und mit dem Füllstoff und/oder SiC beladenes Papier ist.

28. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 27,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Preform eine Wellpappengeometrie aufweist.

29. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet,

dass die Preform drei Lagen (18, 20, 22) mit einer ebenen ersten Lage (18), einer mit dieser verbundenen Zwischenlage (22) und einer mit dieser verbundenen ebenen zweiten Lage (20) umfasst, wobei die Zwischenlage die erste und die zweite Lage über stegartige Abschnitte beabstandet.

30. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 29,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Zwischenlage (22) im Schnitt aus Abschnitten einer S-förmigen, V- förmigen, U-förmigen oder kreisabschnittförmigen Geometrie besteht.

31. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 30,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Preform (20) aus geprägtem Papier (22, 24, 34, 36) besteht.

32. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 31,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Preform im Schnitt aus kreisabschnittförmigen, dreieckförmigen oder U- förmigen und/oder oval geprägten Abschnitten von Papier wie Papierstreifen besteht.

33. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 32,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Wärmeübertrager Zwischen- und/oder Endplatten wie Boden- oder Deckplatten in Form eines Keramikbauteils aufweist, das durch Pyrolyse eines zellulosehaltigen Halbzeugformteils hergestellt ist.

34. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 33,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Halbzeugformteil siliciert ist.

35. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 34, dadurch gekennzeichnet,

dass der Wärmeübertrager an gegenüberliegenden Stirnflächen vorzugsweise trichterförmige Öffnungen (44, 46) aufweist, die aus einem keramisierten zellulo- sehaltigen Halbzeugformteil hergestellt sind.

36. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 35,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Halbzeugformteil eine mitteldichte oder hochdichte und im gewünschten Umfang bearbeitete bzw. umgeformte Faserplatte ist.

37. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 36,

dadurch gekennzeichnet,

dass das carbonisierte bzw. keramisierte Halbzeugformteil eine Dichte zwischen 600 kg/m3 und 700 kg/m3 bzw.700 kg/m3 und 900 kg/m3 aufweist.

38. Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 37,

dadurch gekennzeichnet,

dass der vorzugsweise trichterförmige Endabschnitt (44, 46) endseitig in eine Flanschplatte (48, 50) übergeht, die aus einem zellulosehaltigen, insbesondere lignozellulosehaltigen Halbzeugformteil besteht, das keramisiert ist.

Description:
Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers sowie Wärmeübertrager

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers umfassend insbesondere Fluide führende Kanäle aufweisende oder begrenzende Formteile aus keramischem Material. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Wärmeübertrager mit insbesondere Fluide führenden Kanäle aufweisende oder begrenzende Formteile aus keramischem Material, insbesondere Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung.

Der DE-C- 139 33 426 ist ein Wärmetauscher zu entnehmen, der aus Formteilen aus Keramik besteht. Dabei werden die keramischen Formteile vor dem Brennen zusammengesetzt und durch das Brennen miteinander verbunden.

Wärmetauscher dienen dem Zweck, Wärme von einem Stoffstrom höherer Temperatur auf einen Stoffstrom niedriger Temperatur zu übertragen. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es dabei erforderlich, dass die die Stoffströme trennenden Bauteile eine gute Wärmeleitung aufweisen. Eine solche ist auch bei Rektifiziereinrichtungen bzw. -apparaten nötig, mit denen flüssige Gemische getrennt werden. Dabei werden z. B. die Flüssigkeit und der Dampf eines zu trennenden Gemisches im Gegenstrom zueinander geführt, dass sich beide Phasen zum Stoff- und Wärmeaustausch möglichst innig berühren. Die Einrichtungen bestehen daher hierzu grundsätzlich aus einem senkrechten rohrförmigen Apparat, der Einbauten in Form von in Abständen angeordneten Plattenelementen mit Durchbrüchen oder Füllkörpern, enthält. Aus der US-A-2002/0011683 ist ein aus Siliziumkarbid bestehender Wabenkörper bekannt, der als Rußfilter für Dieselmotoren benutzt werden kann. Die Formgebung des Wabenkörpers erfolgt durch Extension einer aus Siliziummetallpulver, Harz und Bindemittel enthaltenden Mischung.

Zur Herstellung eines Hochtemperaturkörpers wie Wärmetauscher wird nach der EP-A- 1 284 251 eine Wellpappe als Ausgangskörper benutzt, die mit Schlicker beschichtet oder in einen solchen eingebracht wird. Anschließend erfolgt ein Trocknen und Carbo- nisieren.

Gegenstand der DE-A- 197 13 068 ist ein Heißgasfilter-Element. Zur Herstellung kann auf ein Wabenmaterial auf Hartpapier-Basis Kohlenstofffaser- Vlies bzw. Filz aufge- presst bzw. laminiert werden, um sodann die so hergestellte CFK-Struktur zu pyrolysie- ren.

Um einen Wärmetauscher nach der JP-A-2005047014 herzustellen, wird ein Ausgangsmaterial in Form eines wellenförmigen Pappkörpers verwendet, der sodann laminiert und mit einem Schlicker beschichtet wird. Anschließend erfolgt ein Pyrolysieren.

Unter Verwendung von zellulosehaltigen Halbzeugformteilen, die pyrolysiert werden, werden nach der DE-A-101 61 108 Keramikbauteile hergestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei einfacher Herstellung eine gute Wärmeleitung sichergestellt ist. Dabei soll auch die Möglichkeit gegeben sein, aggressive Stoffe durch den Wärmeübertrager zu leiten.

Erfindungsgemäß wird verfahrensmäßig vorgeschlagen: Herstellen von Preformen aus Papier, das zumindest Zellulosefasern und zumindest einen Füllstoff enthält, mit dem das Papier bei dessen Herstellung beladen wird, und

Pyrolysieren der Papierpreformen zur Bildung der Formteile oder Abschnitte dieser.

Dabei können die die Formteile und somit die Abschnitte des Wärmeübertragers bildenden Papierpreformen nach oder bevorzugterweise vor dem Pyrolysieren bzw. Car- bonisieren zusammengesetzt werden. Es können folglich die Preformen vor dem Pulverisieren verbunden wie verklebt werden. Auch besteht die Möglichkeit, die pyrolisierten Preformen zu verbinden und zu verkleben, und zwar vor einem Silicierprozessschritt.

Das Verbinden der Papierpreformen vor dem Pyrolysieren kann mittels Kleber mit hoher Kohlenstoffausbeute erfolgen. Werden die Papierpreformen nach dem Pyrolysieren und damit Carbonisieren verbunden, so erfolgt dies vorzugsweise im Rahmen des SiIi- cierens der pyrolysierten Preformen.

Erfindungsgemäß wird eine aus einem keramischen Papier bestehende Preform benutzt, also ein Papier, das während der Herstellung bereits mit einem Füllstoff beladen wird.

Als Füllstoffe kommen solche in Frage, die carbonisierbar sind. Aber auch Keramikfüllstoffe wie Al 2 O 3 oder ZrO 2 können benutzt werden, um das Papier entsprechend zu beladen. Ein weiterer bevorzugter Füllstoff ist Ruß.

Des Weiteren können dem zu pyrolysierenden Papier Additive in Form von Bindemitteln wie Phenolharz und/oder Zellulose beigegeben werden.

Bevorzugterweise beträgt der Gewichtsanteil des Füllstoffs 30 Gew.-% bis 95 Gew.-%, insbesondere 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf die aus Zellulosefasern des Papiers und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers, wobei Additive einbezogen sind. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass das pyrolysierte, d.h. das carboni- sierte Papier siliciert wird. Dies kann mit Reinstsilicium erfolgen, wobei im Überschuss oder Unterschuss gearbeitet wird. Das Silicieren ist mit üblichen Verfahren durchzuführen. Insbesondere wird jedoch das pyrolysierte Papier zum Silicieren mit einer Silici- umschmelze in Kontakt gebracht, z. B. durch Dochte, Transferplatten oder ähnliche Techniken.

Das pyrolysierte Papier wird in einem Reaktionsraum vorzugsweise bei Unterdruck siliciert, der in einem Bereich von 50 mbar bis 0,05 mbar, insbesondere im Bereich von 0,1 mbar, jeweils absolut, liegen sollte. Nach der Reaktion des C mit dem Si zu SiC wird sodann der Reaktionsraum mit Inertgasatmosphäre belüftet, um die Möglichkeit zu bieten, dass sich überschüssiges Silicium auf dem silicierten Keramiksubstrat als Si- Schicht ausbilden kann.

Wird eine entsprechende Si-Schicht gewünscht, sollte der Prozess derart gesteuert werden, dass die Si-Schicht eine Dicke d mit 0,5 μm < d < 50 μm, insbesondere 10 μm < d < 20 μm aufweist.

Das Silicieren findet in einem Temperaturbereich mit 1350 0 C < T < 2000 0 C, insbesondere im Bereich von 1650 0 C < T < 1700 0 C statt.

Als Preform werden insbesondere eine oder mehrere eine Wellpappengeometrie aufweisende Papierlagen verwendet. Dabei kann als Preform eine solche benutzt werden, die drei Lagen mit einer inneren ersten Lage, einer mit dieser verbundenen wie verklebten eine Wellengeometrie aufweisenden Zwischenlage und einer mit dieser verbundenen wie verklebten und die Zwischenlage abdeckenden ebenen dritten Lage umfasst. Dabei werden die ersten und die zweiten Lagen über die Zwischenlage beabstandet.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, als Preform geprägte Papierlagen zu wählen, die derart einander zugeordnet und aufeinander abgestützt sowie miteinander verbunden werden, dass die gewünschte Kanalausbildung vorliegt, sofern eine solche benötigt wird. Andere Geometrien, die insbesondere für Plattenelemente als Formteil für Rektifizierapparate benötigt werden, können gleichfalls hergestellt wie geprägt werden.

Nach der erfindungs gemäßen Lehre erfolgt die Formgebung der Preform durch das Papier selbst, das mit zumindest einem Füllstoff bei der Herstellung beladen worden ist. Das geformte Papier wird sodann carbonisiert. Dadurch, dass die Formgebung der Preform durch das Papier selbst erfolgt, können beliebige Geometrien für den Wärmeübertrager erzeugt werden, eine Möglichkeit, die z. B. beim Extrudieren zur Formgebung nicht möglich ist.

Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass die pyrolysierte und ggf. silicierte Zwischenlage eine Dicke d z mit 50 μm < d z < 1000 μm aufweist. Die im eigentlichen Sinne die erste und zweite Lage verbindenden Stege zur Verfügung stellende Zwischenlage bietet bei entsprechender Dicke einen guten Wärmeübergang, wobei die durch die Kanäle strömenden Medien eine Temperatur bis 1400 0 C aufweisen können, ohne dass Beschädigungen auftreten. Sofern siliciumfreie pyrolysierte Preformen als Formteile für den Wärmeübertrager verwendet werden, können die Fluide noch höhere Temperaturen aufweisen.

Unabhängig hiervon sollte als Material für die Preform ein solches verwendet werden, das während des Pyrolysierens bis zu 60 % schrumpft und/oder nach dem Carbonisieren einen Koksanteil im Bereich zwischen 20 % und 60 % aufweist. Die Schrumpfung sollte betragen 0 < Schrumpfung < 60 %. Der Koksausbeutebereich, bezogen auf das Gesamtgewicht des Körpers sollte zwischen 20 % und 60 % liegen.

Abschlussplatten und/oder Trichter des Wärmeübertragers oder ggf. zwischen einzelnen Lagen der Formteile verlaufende Stabilisierungsplatten können aus Zellulose und/oder lignozellulosehaltigen Partikeln bestehenden plattenförmigen Formteilen hergestellt werden, die unter Luftaus Schluss bei einer Temperatur T mit 400 0 C < T < 2000 0 C, insbesondere 800 0 C < T < 1600 0 C pyrolysiert werden. Dabei sollten insbesondere Formteile zum Einsatz gelangen, die aus Holzfasern und/oder Pflanzenfasern wie Flachs, Hanf, Sisal, Miscanthus oder Nessel hergestellt werden und nach dem Pyrolysie- ren eine Dichte zwischen 500 kg/m 3 und 900 kg/m 3 aufweisen. Hierzu werden vorzugsweise als Ausgangsformteile, die zu pyrolysieren sind, mitteldichte Faserplatten oder hochdichte Faserplatten verwendet.

Insoweit wird auf Kohlenstoff- bzw. Keramikbauteile zurückgegriffen, wie diese der WO-A-03/050058 zu entnehmen sind, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.

Ein Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Formteile aus keramisierten Papierpreformen bestehen. Standardpapiere oder Pappe als Ausgangsmaterial für die Preform sind eingeschlossen. Dabei ist das Zellulosefasern und zumindest einen Füllstoff enthaltende Papier carbonisiert. Der Füllstoff sollte aus der Gruppe Ruß, SiC, Si, Keramikfüllstoff wie Al 2 O 3 oder ZiO 2 ausgewählt sein. Car- bonisierbare Füllstoffe sind gleichfalls geeignet.

Die keramisierte Papierpreform kann aus einem in SiC umgewandeltes und mit dem Füllstoff und/oder SiC beladenen Papier bestehen.

Insbesondere weist die Preform eine Wellpappengeometrie auf, wobei die Preform drei Lagen mit einer ebenen ersten Schicht, einer mit dieser verbundenen gewellten Zwischenschicht und einer diese abdeckenden und mit dieser verbundenen ebenen zweiten Schicht umfassen kann, wobei die Zwischenschicht mit der ersten und zweiten Schicht die Kanäle begrenzt.

Die Zwischenschicht kann aus Abschnitten bestehen, die im Schnitt eine S-förmige, V-förmige, U-förmige oder kreisabschnittförmige Geometrie aufweisen. Auch besteht die Möglichkeit, geprägtes Papier zur Ausbildung der Formteile zu benutzen, ohne dass zwingend die erste und zweite Lage vorgesehen sind. In diesem Fall sind die geprägten Papiere derart zueinander ausgerichtet, dass diese die gewünschte Kanalausbildung bieten. Des Weiteren kann der Wärmeübertrager Zwischen- oder Endplatten sowie Fluidein- lass- bzw. Auslasselemente in Form von jeweils einem Keramikbauteil aufweisen, das durch Pyrolyse eines zellulosehaltigen Halbzeugformteils hergestellt ist. Als zellulose- haltiges Halbzeugformteil kommt insbesondere eine mitteldichte- Faserplatte mit einer Ausgangsdichte zwischen 600 kg/m 3 und 850 kg/m 3 oder eine hochdichte Faserplatte mit einer Ausgangsdichte zwischen 850 kg/m 3 und 1050 kg/m 3 in Frage, die nach dem Pyrolysieren eine Dichte zwischen 500 kg/m 3 und 700 kg/m 3 bzw. 700 kg/m 3 und 900 kg/m 3 aufweisen. Auch das Halbzeugformteil sollte nach dem Pyrolysieren bzw. Carbonisieren siliciert werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ansicht eines Kreuzstromwärmetauschers,

Fig. 2 der Kreuzstromwärmetauscher gemäß Fig. 1 um 90° gedreht,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Formteils,

Fig. 4 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Formteils und

Fig. 5 einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform eines Formteils.

Die erfindung s gemäße Lehre wird nachstehend anhand eines Kreuz stromwärmetau- schers bzw. Formteilen beschrieben, die zum Herstellen des Kreuzstromwärmetauschers verwendet werden, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindung s gemäßen Lehre erfolgt. Vielmehr kann diese auch für sonstige Wärmeübertrager benutzt werden, die auch Rektifizierapparate einschließen, die nicht zwingend Kanäle begrenzende Formteile enthalten, die von Fluiden durchströmt sind. Vielmehr gilt die erfindungsgemäße Lehre für alle Wärme übertragenden Formteile.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Kreuzstromwärmetauscher 10 dargestellt, mittels dessen Wärme von einem Stoff ström höherer Temperatur auf einen Stoff ström niedriger Temperatur übertragen wird. Dabei hat jeder Stoffstrom seinen eigenen abgegrenzten Strömungsweg, wobei die Stoffströme im rechten Winkel zueinander geführt werden. Typische Anwendungsfälle entsprechender Kreuzstromwärmetauscher sind Rohrregister oder Rippenrohrregister für Heiz- und Kühlaufgaben.

Die Strömungsrichtungen der Fluide, die durch den Kreuzstromwärmetauscher 10 strömen, sind in Fig. 1 und 2 durch die Pfeile 12 und 14 symbolisiert, wobei die Strömungsrichtung des einen Stoffes in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft.

Die einzelnen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers 10 werden durch pyrolysierte, d. h. carbonisierte Papierpreformen gebildet, die ggf. siliciert sind. Folglich werden kera- misierte Preformen benutzt, die die Kanäle bildenden bzw. begrenzenden Formteile des Wärmetauschers 10 bilden.

Als Materialien für die Papierpreformen kommen auch Standardpapiere und Pappe in Frage.

Bei den Papierpreformen kann es sich um solche unterschiedlicher Geometrien handeln, von denen Abschnitte den Fig. 3 - 5 zu entnehmen sind. So ist in Fig. 3 ein Abschnitt einer Preform 16 dargestellt, die eine Wellpappengeometrie aufweist. Dabei besteht die Preform 16 aus einer ersten und zweiten ebenen Lage 18, 20, zwischen denen eine im Schnitt eine Wellengeometrie aufweisende und die erste und zweite Lage 18, 20 beabstandenden Zwischenlage 22 verläuft. Die Zwischenlage 22 besteht dabei aus aneinander gereihten Abschnitten, die eine S-Geometrie zeigen.

Eine entsprechende Preform 16 erstreckt sich über die wirksame Wärmetauscherlänge des Wärmetauschers 10, wobei entsprechende Preformen 16 beabstandet zueinander angeordnet sind. In den Zwischenräumen sind vorzugsweise geometrisch gleich ausgebildete Preformen angeordnet, die jedoch um 90° zu den ersten Preformen gedreht verlaufen, um den gewünschten Kreuzstrom zu ermöglichen.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt von Formteilen 20 eines Kreuzstromwärmetauschers dargestellt, wobei die einzelnen Formteile aus halbkreisförmig geprägten Abschnitten 22, 24 aus Papier bestehen, die in ihren Rändern zusammengefügt sind. Dies wird durch die verdickten Bereiche 26, 28 angedeutet. Entsprechende im Schnitt eine Rohrgeometrie bildende geprägte Abschnitte 22, 24 werden aneinander gereiht, um eine erste Reihe von Kanälen zu bilden. Oberhalb dieser verlaufen entsprechende, jedoch um 90° gedrehte Reihen von geprägten Papierpreformen, um die sich kreuzenden Kanäle des Wärmetauschers zu bilden. Die angrenzenden um 90° gedrehten Kanäle sind mit den Bezugszeichen 30, 32 gekennzeichnet.

Aber auch andere Geometrien zur Ausbildung der Formteile bzw. der die Fluide führenden Kanäle sind möglich. Dies sei anhand der Fig. 5 verdeutlicht. So werden V- förmig geprägte Papierstreifen 34, 36 miteinander verbunden (Verbindungsstellen 38, 40) und aneinander gereiht, um Kanäle zu bilden. Die angrenzenden um 90° gedrehten Kanäle weisen die Bezugszeichen 42, 44 auf.

Neben den drei beispielhaft angegebenen Geometrien von Preformen bzw. Abschnitten dieser sind jedoch z. B. auch U-Geometrien oder eine offene Ovalform bildende geprägte Papiere bzw. Papierbahnen oder -streifen möglich, um Formteile eines Wärmeübertragers zu bilden.

Die die Kanäle bildenden Formteile bestehen erfindungs gemäß aus zumindest Zellulosefasern enthaltendem Papier wie Standardpapier oder Pappe sowie zumindest einem Füllstoff. Hierbei kann es sich um Ruß, einen carbonisierbaren Füllstoff, einen reaktiven Füllstoff wie Bor oder Si oder einen Keramikfüllstoff handeln. Als bevorzugte Füllstoffe sind Ruß oder A 2 O 3 bzw. ZrO 2 als Keramikfüllstoffe zu nennen.

Das Papier kann auch mit SiC bzw. Si + SiC beladen sein. Unabhängig hiervon sollte der Gewichtsanteil des Füllstoffes 30 Gew.-% bis 95 Gew.- % bezogen auf die aus Zellulosefasern des Papiers und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers betragen. Auch können weitere Additive wie z. B. Bindemittel wie Phenolharz oder Zellulose beigegeben werden.

Das bei der Herstellung bereits mit einem Füllstoff beladene Papier nennt man auch keramisches Papier, das nach dem Carbonisieren eine ein Formteil des Wärmeübertragers bildende keramisierte Papierpreform ist.

Eine entsprechende Preform, wie sie der Fig. 3 zu entnehmen ist oder durch Prägen von Papierbahnen oder -streifen gebildete und zusammengesetzte Preformen z. B. entsprechend der Fig. 4 und 5, werden sodann in einem Temperaturbereich zwischen 800 0 C und 1400 0 C pyrolysiert, d. h. carbonisiert. Anschließend kann ein Silicieren des carbo- nisierten Papiers in einem Temperaturbereich zwischen 1350 0 C und 2000 0 C, insbesondere zwischen 1650 0 C und 1700 0 C erfolgen. Dabei wird insbesondere ein Silicieren mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze bevorzugt. Beim Silicieren sollte die carbonisierte Preform in einem Reaktionsraum angeordnet sein, in dem ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar herrscht.

Die Preformen, die auch die geprägten Papiere wie Papierabschnitte bzw. -bahnen oder -streifen begrifflich einschließen, können vor dem Pyrolysieren oder nach dem Pyroly- sieren zusammengefügt werden. Erfolgt letzteres, werden die Preformen beim Silicieren miteinander verbunden.

Werden die Preformen vor dem Pyrolysieren miteinander verbunden, so erfolgt dies mittels vorzugsweise eines Klebstoffes mit hoher C-Ausbeute.

Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, weist der Kreuzstromwärmetauscher 10 an seinen gegenüberliegenden Enden Fluidein- und -austrittstrichter 44, 46 auf, die von Flanschen 48, 50 begrenzt werden, über die der Kreuzstromwärmetauscher 10 in eine Anlage eingebaut und in dieser fixiert werden kann. Sowohl die Trichter 44, 46 als auch die Flansche 48, 50 können dabei aus entsprechend zurechtgeschnittenen bzw. geformten mitteldichten oder hochdichten zellulosehaltigen, insbesondere lignozellulosehaltigen Halbzeugformteilen bestehen, die durch in nicht- oxidierender Gasatmosphäre durchgeführte Pyrolyse keramisiert sind. Dabei sind die pyrolysierten, also carbonisierten Halbzeugformteile insbesondere siliciert derart, dass das Keramikbauteil ein SiSiC- Keramikbauteil mit definiertem freien C-Anteil ist. Es werden also Keramikbauteile für die Flansche 48, 50 und die trichterförmigen Endabschnitte 44, 46 benutzt, die nach der Lehre der WO-A-03/050058 hergestellt sind, auf deren Offenbarung verwiesen wird. Die Verbindung zwischen den die Kanäle begrenzenden Formteilen des Kreuzstromwärmetauschers 10 und den trichterförmigen Bauteilen 44, 46 kann in einem Silicierprozess erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, Bauelemente mittels Klebstoff mit hoher C-Ausbeute vor dem Silicierprozess zu verbinden.

Zu der Dimensionierung der Formteile ist anzugeben, dass diese eine flächige Erstreckung von ohne Weiteres 1 m aufweisen können, also den Längs- bzw. Querschnitt des Kreuzstromwärmetauschers vorgeben können. Die Wandstärken der die Kanäle begrenzenden Formteile kann aufgrund der aus Papier bestehenden Preform unter 100 μm liegen, so dass ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist. Bevorzugte Stärken der Papierlagen liegen zwischen 50 μm und 1000 μm nach dem Carbonisieren und ggf. Silicieren.

Die Papierlage selbst sollte ein Gewicht von 50 g/m bis 1000 g/m aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von drei Beispielen weitergehend erläutert, aus denen sich für sich Merkmale und/oder Merkmalskombinationen ergeben, die die Erfindung prägen.

Beispiel 1:

Es wird eine Papierbahn mit einem Flächengewicht von 200 g/m benutzt, die mit einem aus Ruß bestehenden Füllstoff beladen ist. Der Gewichts anteil des Füllstoffes beträgt ca. 75 % bezogen auf die aus Cellulosefasern und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers. Das so beladene Papier wird sodann zu einem Papierhalbzeug weiterverarbeitet, das eine Wellpappengeometrie aufweist und zu einer Preform aufgewickelt und verklebt. Die entstehende Preform wird in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 0 C und 1400 0 C pyrolisiert. Sodann erfolgt ein Silicieren des carbonisier- ten Papiers mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1650 0 C und 1700 0 C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich zwischen 1650 0 C und 1700 0 C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar absolut. Das Silicieren erfolgt dabei mit Überschuss von Silicium. Nach erfolgter Reaktion des Siliciums mit Kohlenstoff zu SiC wird der Reaktionsraum belüftet, um zu vermeiden, dass das überschüssige Silicium ausgetragen wird. Hierdurch bildet sich auf dem Keramiksubstrat eine Si-Schicht, wobei der Prozess derart gesteuert wird, dass die Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt. Die erstarrte Schicht wird sodann bei einer Temperatur kurz oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium erneut aufgeschmolzen und rekristallisiert. Für das Silicieren selbst wird Reinstsilicium verwendet.

Es ergab sich eine dünnwandige hochstabile Struktur. Schliffbilder zeigen, dass das Substrat im Wesentlichen aus freiem Silicium umgebendem SiC besteht. Nicht reagiertes C im verschwindenden Umfang kann enthalten sein.

Die Keramik kann als Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung eingesetzt werden.

Beispiel 2:

Es wird eine Papierbahn mit einem Flächengewicht von 200 g/m 2 benutzt, die mit einem aus SiC-Pulver bestehenden Füllstoff beladen ist. Der Gewichts anteil des Füllstoffes beträgt ca. 75 % bezogen auf die aus Cellulosefasern und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers. Das so beladene Papier wird sodann zu einem Papierhalbzeug weiterverarbeitet, das eine Wellpappengeometrie aufweist und zu einer Preform aufgewickelt und verklebt. Die entstehende Preform wird in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 0 C und 1400 0 C pyrolisiert. Sodann erfolgt ein Silicieren des carbonisierten Papiers mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1650 0 C und 1700 0 C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar absolut. Das Silicieren erfolgt dabei mit Überschuss von Silicium. Nach erfolgter Reaktion des Siliciums mit Kohlenstoff zu SiC wird der Reaktionsraum belüftet, um zu vermeiden, dass das überschüssige Silicium ausgetragen wird. Hierdurch bildet sich auf dem Keramiksubstrat eine Si-Schicht, wobei der Prozess derart gesteuert wird, dass die Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt. Die erstarrte Schicht wird sodann bei einer Temperatur kurz oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium erneut aufgeschmolzen und rekristallisiert. Für das Silicieren selbst wird Poly-Silicium in Solar- Qualität verwendet.

Es ergab sich eine dünnwandige hochstabile Struktur. Schliffbilder zeigen, dass das Substrat im Wesentlichen aus freiem Silicium umgebendem SiC besteht. Nicht reagiertes C im verschwindenden Umfang kann enthalten sein.

Die Keramik kann als Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung eingesetzt werden.

Beispiel 3:

Es wird eine Papierbahn mit einem Flächengewicht von 100 g/m benutzt, die mit einem aus Ruß bestehenden Füllstoff beladen ist. Der Gewichts anteil des Füllstoffes beträgt ca. 50 % bezogen auf die aus Cellulosefasern und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers. Das so beladene Papier wird sodann zu einem Papierhalbzeug weiterverarbeitet, das eine Wellpappengeometrie aufweist und zu einer Preform aufgewickelt und verklebt. Die entstehende Preform wird in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 0 C und 1400 0 C pyrolisiert. Sodann erfolgt ein Silicieren des carbonisierten Papiers mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1650 0 C und 1700 0 C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar absolut. Das Silicieren erfolgt dabei mit Überschuss von Silicium. Nach erfolgter Reaktion des Siliciums mit Kohlenstoff zu SiC wird der Reaktionsraum belüftet, um zu vermeiden, dass das überschüssige Silicium ausgetragen wird. Hierdurch bildet sich auf dem Keramiksubstrat eine Si-Schicht, wobei der Prozess derart gesteuert wird, dass die Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt. Die erstarrte Schicht wird sodann bei einer Temperatur kurz oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium erneut aufgeschmolzen und rekristallisiert. Für das Silicieren selbst wird Poly-Silicium in Solar-Qualität verwendet.

Es ergab sich eine dünnwandige hochstabile Struktur. Schliffbilder zeigen, dass das Substrat im Wesentlichen aus freiem Silicium umgebendem SiC besteht. Nicht reagiertes C im verschwindenden Umfang kann enthalten sein.

Die Keramik kann als Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung eingesetzt werden.