DE102008019556A1

DE102008019556A1 - Bauteil aus einem Stapel stoffschlüssig gefügter Platten und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008019556A1
Application number: DE102008019556A
Authority: DE
Inventors: Stefanie Dr. Wildhack; Murat Giden; Frank Dr. Meschke; Andreas Lemke
Original assignee: ESK Ceramics GmbH and Co KG
Current assignee: ESK Ceramics GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Platten (1), in welchen ein Kanalsystem aus Fluidstrom-Führungskanälen (2) augebildet ist, wobei mindestens zwei Platten des Stapels, von denen eine aus einem keramischen Werkstoff und die andere aus einem keramischen Werkstoff oder Glas besteht, stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 µm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt sind. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils, umfassend die Schritte - Aufbringen eines polymeren Klebers auf mindestens eine der Klebeflächen der zu fügenden Platten (1), - Aufeinanderstapeln der zu fügenden Platten (1), - Zusammenpressen der Platten (1) in der Weise, dass gegebenenfalls vorhandene Plattenunebenheiten durch den Kleber ausgeglichen werden können, und Fixieren des Plattenstapels, und - Aushärten des polymeren Klebers unter Beibehaltung der Fixierung in der Weise, dass eine Mindestdicke der Kleberschicht von 25 µm nicht unterschritten wird. Die erfindungsgemäßen Bauteile sind leckagefrei, thermoschockbeständig und druckfest abgedichtet. Die gefügten Platten sind wiederlösbar und wiederverwendbar.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten Platten, bei dem mindestens zwei Platten, von denen wiederum mindestens eine aus einem keramischen Werkstoff besteht, stoffschlüssig mittels einer Kleberschicht gefügt sind. Bei dem Bauteil kann es sich insbesondere um einen Plattenwärmeübertrager oder einen Reaktor handeln. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile.
Hintergrund der Erfindung
Keramische Komponenten finden im Anlagen- und Maschinenbau allgemein dort Anwendung, wo Verschleiß, Korrosion und hohe Temperaturbelastungen auftreten. Die Härte, chemische Beständigkeit und Wärmeleitfähigkeit von technischen Keramiken ist denen von Stählen und Graphit als Alternativwerkstoffe weit überlegen.
Siliciumcarbid (SiC) als Vertreter der technischen Keramik besitzt den besonderen Vorteil einer gegenüber Stahl 4-fach besseren thermischen Leitfähigkeit. Das Gesamteigenschaftsprofil prädestiniert den Werkstoff neben dem Einsatz in Düsen, Ventilen, Gleitringdichtungen und Gleitlagern auch zum Einsatz in Wärmeübertragern und Mikroreaktoren.
In Wärmeübertragern und Mikroreaktoren müssen die Komponenten aus fluiddynamischen Gründen im Inneren sehr komplex geformt sein. Oftmals ist das Design unvereinbar mit den zur Verfügung stehenden keramischen Formgebungsverfahren, so dass ein Verbinden keramischer Einzelbestandteile unumgänglich ist. Es bieten sich kraft- und stoffschlüssige Verbindungen an.
Gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) ist im Bereich der Plattenwärmeübertrager und Mikroreaktoren ein neuer Werkstoff. In zerlegbaren Apparaten, bei denen die Einzelkomponenten mit Hilfe einer kraftschlüssigen Verbindungskonstruktion abgedichtet werden müssen, besteht als Problem die ungenügende Druckfestigkeit und Standzeit der hierbei eingesetzten Kunststoff-Dichtungen. Das Potential des Siliciumcarbids kann aufgrund von Materialproblemen der Dichtungen nicht voll ausgeschöpft werden.
Die Schwachstelle ist der Dichtungswerkstoff selbst. Oftmals als umlaufende Dichtungen oder O-Ring eingesetzt, versprödet der Kunststoff unter hohen Temperatur-, Korrosions- oder Verschleißbelastungen, verliert mit der Zeit seine grundlegend notwendige Elastizität und kann am Ende seine Dichtungsfunktion nicht mehr erfüllen.
In bestimmten Anwendungen ist gefordert, dass die Apparate einfach zerlegbar sein müssen, um das Reinigen und Entfernen von Belägen auf den Wärmeübertrager- oder Reaktoroberflächen mit wenig Aufwand zu bewerkstelligen. Oftmals sind die Dichtungen schneller verschlissen als sich der Belag bildet und damit ein Austausch defekter Dichtungen noch vor geplanten Wartungsarbeiten notwendig.
Stand der Technik
Eine stoffschlüssige Verbindung von SiC-Komponenten ist grundsätzlich möglich. Sie bietet gegenüber der kraftschlüssigen Verbindung den großen Vorteil, dass durchströmende gefährliche oder giftige Medien dauerhaft hermetisch abgedichtet sind. Gesintertes Siliciumcarbid kann insbesondere mit den Verfahren des Diffusionsschweißens, Laserstrahlschweißens und Lötens mit Metall- oder Glasloten stoffschlüssig gefügt werden. Den genannten Verfahren ist gemeinsam, dass die Komponenten dauerhaft und damit unzertrennlich verbunden werden.
Die DE 10 2004 044 942 A1 beschreibt ein Verfahren zum Fügen von keramischen Komponenten durch ein Diffusionsschweißverfahren, wobei die Komponenten verformungsarm zu einem Monolithen gefügt werden.
Die WO 2007/110196 A1 beschreibt einen Plattenwärmetauscher und einen Mikroreaktor aus einem Stapel keramischer Platten, in welchen ein Kanalsystem aus Fluidstrom-Führungskanälen ausgebildet ist. Die Platten sind entweder mittels umlaufenden Dichtungen miteinander verbunden oder durch ein Diffusionsschweißverfahren stoffschlüssig zu einem nahtfreien monolithischen Block gefügt.
Diffusionsgeschweißte SiC-Komponenten und daraus hergestellte Bauteile, wie sie in den beiden vorgenannten Druckschriften beschrieben sind, zeigen hinsichtlich der Standzeit erhebliche Vorteile, und sie können auch bei höchsten Temperaturen eingesetzt werden. Ein Zerlegen für Wartungsarbeiten und Inspektion ist jedoch nicht oder nur zerstörend möglich. Eine Reinigung ist nur mit erhöhtem Aufwand über chemische oder pyrolytische Prozesse oder aber gar nicht möglich.
Diffusionsgeschweißte SiC-Wärmeübertrager sind zudem durch eine hohe Steifigkeit gekennzeichnet. Im Betrieb mit Medien hoher Temperaturunterschiede kann es zum Aufbau thermisch bedingter Spannungen kommen und es besteht, insbesondere bei Thermoschockbeanspruchung, ein Risiko der Schädigung.
Ebenfalls ist es bekannt, Keramikkomponenten aus den verschiedensten Anwendungsbereichen mit Hilfe von Klebern stoffschlüssig mit andersartigen Werkstoffen, wie Metall, Glas oder Graphit zu verbinden. Die zu bewältigende Aufgabe konzentriert sich dabei hauptsächlich darauf, Konstruktionen aus verschiedenen Werkstoffen durch Einsparung von Verbindungselementen erheblich zu vereinfachen.
In WO 2007/112945 A1 wird ein Mikroreaktorsystem beschrieben, das aus mindestens einem Prozessmodul und aus mindestens einem Wärmetauschermodul besteht. Die Prozessmoduln bestehen aus einem korrosions- und druckbeständigen Material, vorzugsweise aus Edelstahl, Hastelloy, Wolfram, Tantal, Titan, Keramik oder Graphit. Die Wärmetauschermoduln bestehen aus einem wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Silber oder Silberlegierungen. Das Material für die Wärmetauschermoduln ist duktil, so dass die Wärmetauschermoduln mit einem benachbarten Prozessmodul verpresst werden können und kein zusätzlicher Fügeprozess erforderlich ist. Die Prozessmoduln selbst werden hergestellt durch Fügen zweier Platten, wobei als Fügeverfahren ganz allgemein Löten, Sintern, Schweißen, Kleben oder ähnliches genannt sind. Als Durchflussrate ist 100 ml/min angegeben, was ziemlich niedrig ist. Es handelt sich hier also nicht um einen rein keramischen Aufbau und die Funktionen Reaktionsdurchführung und Wärmeübertragung sind getrennt. Daher ist dieser Mikroreaktor nicht universell einsetzbar. Es werden jeweils nur zwei keramische Platten miteinander verklebt. Über das Klebeverfahren werden keine Details offenbart.
In JP 2007-136292 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mikroreaktors beschrieben, bei dem Platten mittels einer Klebefolie miteinander verklebt werden. Die Platten des Mikroreaktors können aus Glas, Teflon, Metall oder Keramik bestehen, vorzugsweise aus Glas. Die Abmessungen der Platten sind relativ klein, beispielsweise 30 mm × 70 mm. Im Beispiel wird eine Klebefolie aus einem chlorierten und fluorierten Kohlenwasserstoff verwendet. Vor dem Kleben ist eine Oberflächenbehandlung (Plasmabehandlung) erforderlich.
Die Mikroreaktoren werden nicht für Druckanwendungen eingesetzt und die Klebung erfolgt offensichtlich vollflächig. Eine vollflächige Klebung hat jedoch den Nachteil, dass sie wärmeisolierend wirkt und daher für die Anwendung bei Wärmetauschern weniger geeignet ist, da sie die Leistung der Wärmeübertragung herabsetzt.
Ein weiterer Nachteil dieses Klebeverfahrens mit einer Folie gleichmäßger Dicke ist, dass die Platten absolut eben und planparallel sein müssen. Dieses Verfahren ist daher nicht geeignet zum Kleben größerer Platten aus gesinterter Keramik wie beispielsweise gesinterter SiC-Keramik, da es bearbeitungstechnisch äußerst schwierig oder sogar unmöglich ist, absolut ebene und planparallele Platten herzustellen.
In DE 197 17 931 C1 ist ein Wärmetauscher für den Einsatz bei Temperaturen von 200°C bis 1600°C und/oder korrosiven Medien beschrieben. Der Wärmetauscher besteht aus faserverstärkter Keramik (C/SiC oder SiC/SiC). Nach der Silizierung können die Einzelbauteile mit einem Keramikkleber zusammengefügt werden, der auch stabil bei hohen Temperaturen ist. Dieses Verfahren ist speziell auf die faserverstärkten Keramiken zugeschnitten. Ziel ist es hier, eine dauerhafte Verbindung für Anwendungstemperaturen von bis zu 1600°C zu schaffen. Eine zerstörungsfreie Zerlegung, Reinigung und Wiederverwendbarkeit ist nicht gegeben.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, insbesondere einen Plattenwärmeübertrager oder einen Plattenmikroreaktor aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten Platten zur Verfügung zu stellen, wobei mindestens zwei Platten des Stapels, von denen mindestens eine aus einem kera mischen Werkstoff besteht, so gefügt sind, dass das Bauteil die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere eine leckagefreie, thermoschockbeständige und druckfeste Abdichtung ermöglicht, wobei die gefügten Platten wiederlösbar und wiederverwendbar sein sollen, die Duktilität der Konstruktion erhöht und das Ausgleichen thermomechanischer Spannungen möglich sind. Ferner soll ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils angegeben werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauteil aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten Platten gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte bzw. besonders zweckmäßige Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Bauteil aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Platten, in welchen ein Kanalsystem aus Fluidstrom-Führungskanälen ausgebildet ist, wobei mindestens zwei Platten des Stapels, von denen eine aus einem keramischen Werkstoff und die andere aus einem keramischen Werkstoff oder Glas besteht, stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt sind.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils, umfassend die Schritte

– Aufbringen eines polymeren Klebers auf mindestens eine der Klebeflächen der zu fügenden Platten (1),
– Aufeinanderstapeln der zu fügenden Platten (1),
– Zusammenpressen der Platten (1) in der Weise, dass gegebenenfalls vorhandene Plattenunebenheiten durch den Kleber ausgeglichen werden können, und Fixieren des Plattenstapels, und
– Aushärten des polymeren Klebers unter Beibehaltung der Fixierung in der Weise, dass eine Mindestdicke der Kleberschicht von 25 μm nicht unterschritten wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauteil um einen Plattenwärmeübertrager.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauteil um einen Reaktor, insbesondere um einen Plattenmikroreaktor mit mindestens zwei getrennten Fluidkreisläufen.
Die erfindungsgemäßen Bauteile in Form von Wärmeübertragern und Mikroreaktoren haben gegenüber den in der DE 10 2004 044 942 A1 und WO 2007/ 110196 A1 beschriebenen Bauteilen den Vorteil, dass sie für Reinigungs- und Wartungsarbeiten und Inspektionen zerlegt werden können, da die Klebeverbindungen wiederlösbar sind. Durch die Zerlegbarkeit der Konstruktion wird ebenfalls eine Erweiterungsmöglichkeit um zusätzliche Komponenten oder Platten geschaffen. Die erfindungsgemäßen Wärmeübertrager und Mikroreaktoren können im Betrieb thermisch bedingte Spannungen ausgleichen und das Risiko der Schädigung ist herabgesetzt. Dadurch ist die Thermoschockbeständigkeit gegenüber monolithischen Wärmeübertragern erhöht.
Gegenüber Wärmeübertragern und Mikroreaktoren mit elastischen Polymerdichtungen haben die erfindungsgemäßen, geklebten Wärmeübertrager und Mikroreaktoren den Vorteil, dass sie druckfester sind.
Gegenüber der JP2007-136292 A können deutlich größere Komponenten oder Platten geklebt werden. Unebenheiten und Abweichungen von der Planparallelität der Platten können ausgeglichen werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der Erfindung werden Bauteilkomponenten in Form von Platten, insbesondere Wärmeübertrager- oder Mikroreaktorkomponenten mittels eines Klebeverfahrens mit polymeren Klebern stoffschlüssig gefügt. Es können komplex geformte, wärmetechnische Komponenten, insbesondere auch großformatige keramische Platten oder auch Blöcke, zu einer monolithartigen Einheit verbunden werden. Die so erhaltenen Bauteile sind zerlegbar, benötigen keine Dichtungen und besitzen darüber hinaus eine hervorragende Druckfestigkeit. Die erfindungsgemäßen Bauteile zeichnen sich vorzugsweise dadurch aus, dass eine Beaufschlagung mit 8,5 bar Innendruck und mehr bestanden wird, weiter vorzugsweise 18 bar Innendruck und mehr. Darüber hinaus besitzen die erfindungsgemäßen Bauteile gute Thermoschockbeständigkeit und hohe Standzeit sowie Korrosionsbeständigkeit im Anwendungsbereich des jeweiligen polymeren Klebers.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten polymeren Klebern handelt es sich vorzugsweise um Epoxid- und Siliconkleber, wobei einkomponentige Kleber besonders bevorzugt sind. Vorzugsweise beträgt die Viskosität des eingesetzten Klebers mindestens 30000 mPa·s. Bei den Epoxidklebern werden temperaturaushärtende Kleber bevorzugt. Bei den Siliconklebern kommen kondensations-, feuchte- und temperaturaushärtende Siliconkleber zum Einsatz, vorzugsweise solche, welche im ausgehärteten Zustand eine Shore-Härte (Shore-A) zwischen 25 und 40 aufweisen.
Je nach Anwendungsfall des Bauteils müssen die polymeren Kleber das Anforderungsprofil der jeweiligen wärmetechnischen Anwendung erfüllen. Diese Anforderungen können insbesondere eine Langzeittemperaturstabilität bis mindestens 150°C, Korrosionsbeständigkeit gegenüber Seewasser, Korrosionsbeständigkeit in sauren Medien, Korrosionsbeständigkeit in alkalischen Medien, Beständigkeit gegenüber Heißwasser und erhöhte Wärmeleitfähigkeit gegenüber Standardklebern sein.
Die polymeren Kleber weisen vorzugsweise einen geringeren E-Modul auf als die Keramikwerkstoffe und Glas. Zwischen den Komponenten aufgebracht vermag der Kleber thermomechanische Spannungen im Betrieb abzubauen und damit höhere Thermoschockbelastungen zuzulassen. So lassen sich beispielsweise Plattenwärmeübertrager aus SiC-Keramik oder Mikroreaktoren aufgebaut aus miteinander verbundenen Glas- und Keramikkomponenten mit hoher Thermoschockbeständigkeit herstellen.
Der polymere Kleber kann auch inaktive oder aktive Füllstoffe enthalten. Beispiele inkativer Füllstoffe sind Glasperlen definierter Größe. Als aktiver Füllstoffe können beispielsweise keramische Pulver oder Granulate, insbesondere aus Siliciumcarbid, eingesetzt werden. Über diese Füllstoffe kann die Wärmeleitfähigkeit des Klebers erhöht und das Fließverhalten des Klebers gezielt eingestellt werden. Die Verwendung von SiC-Füllstoffen hat darüber hinaus den Vorteil einer besseren Korrosionsbeständigkeit.
Die Kleberschichtdicke bei den erfindungsgemäßen Bauteilen beträgt mindestens 25 μm, vorzugsweise 50 bis 300 μm, insbesondere bevorzugt 80 bis 180 μm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der keramische Werkstoff mindestens einer der gefügten Platten aus Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Siliciumcarbid (SSiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkondioxid (ZrO₂), Titandiborid (TiB₂) oder Kombinationen davon. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der universellen Korrosionsbeständigkeit handelt es sich bevorzugt zumindest bei einer der zu fügenden Komponenten um gesintertes Siliciumcarbid (SSiC). Besonders geeignet sind beispielsweise SSiC-Werkstoffe mit feinkörnigem Gefüge, vorzugsweise mit einer mittleren Korngröße < 5 μm, wie sie beispielsweise unter dem Namen EKasic^® F von ESK Ceramics GmbH & Co. KG vertrieben werden. Außerdem können aber auch grobkörnige SSiC-Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise mit bimodalem Gefüge, wobei 50 bis 90 Vol.-% der Korngrößenverteilung aus prismatischen, plättchenförmigen SiC-Kristalliten einer Länge von 100 bis 1500 μm besteht und 10 bis 50 Vol.-% aus prismatischen, plättchenförmigen SiC-Kristallite einer Länge von 5 bis weniger als 100 μm (EKasic^® C von ESK Ceramics GmbH & Co. KG). Die Messung der Korngröße bzw. der Länge der SiC-Kristallite kann anhand von lichtmikroskopischen Gefügeaufnahmen, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Bildauswerteprogrammes, das den maximalen Feretschen Durchmesser eines Korns bestimmt, ermittelt werden.
Des weiteren können je nach Funktion Komponenten aus Glas, Aluminiumoxidkeramik oder anderer Keramiken wie beispielsweise ZrO₂ und TiB₂ zum Einsatz kommen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Bauteil einen rein keramischen Aufbau, d. h. sämtliche Platten bestehen aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere bevorzugt aus SSiC.
In den einzelnen Platten der erfindungsgemäßen Bauteile ist ein Kanalsystem aus Fluidstrom-Führungskanälen ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kanalsystem gemäß WO 2007/110196 A1 so ausgebildet sein, dass sich ein im Wesentlichen mäanderförmiger Verlauf des Fluidstroms über die Fläche der Platte ergibt, wobei die Seitenwände der Führungskanäle eine Mehrzahl von Unterbrechungen bzw. Durchbrüchen aufweisen, die zu einer Verwirbelung des Fluidstroms führen. Eine solche Verwirbe lung ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung und zugleich einen geringen Druckverlust. Ein weiterer Vorteil des Designs solcher Platten ist, dass sich Zuführ- und Abführöffnungen für die Fluidströme, beispielsweise in Form von Bohrungen bereits in die Platten integrieren lassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Führungskanäle in der Platte mit einer ersten Zuführöffnung und einer ersten Abführöffnung für ein erstes Fluid verbunden und die Platte ist mit einer zweiten Zuführöffnung und einer zweiten Abführöffnung für ein zweites Fluid zur Versorgung einer benachbarten Platte versehen, wobei diese Öffnungen in einfacher Weise durch Bohrungen vorgesehen werden können.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Platten haben vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,2–20 mm, insbesondere bevorzugt etwa 3 mm. Der Fluid- bzw. Stoffstrom in einer Austauschfläche einer Platte wird gemäß einem bevorzugten Kanalsystem mäanderförmig geleitet, um eine möglichst lange Verweilzeit zu ermöglichen. Die Seitenwände bzw. Leitwandungen der Führungskanäle in der Austauschfläche haben, vom Plattengrund aus gemessen, vorzugsweise eine Höhe im Bereich von 0,2–30 mm, weiter vorzugsweise 0,2–10 mm und insbesondere bevorzugt 0,2–5 mm. Die als Stege ausgebildeten Seitenwände der Führungskanäle sind über Fräsen herstellbar, können jedoch auch über endkonturnahes Pressen gefertigt werden. Wenn die Seitenwände der Führungskanäle gemäß der in WO 2007/110196 A1 beschriebenen Ausführungsform Unterbrechungen bzw. Durchbrüche aufweisen, besitzen diese vorzugsweise eine Breite von 0,2–20 mm, weiter vorzugsweise 2–5 mm. Die durchbrochenen Seitenwände der Führungskanäle dienen auch als Stützstellen und vermeiden bei Druckdifferenzen eine unerwünschte Verformung der Platten und beugen somit ebenfalls einem Plattenbruch vor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils sind sämtliche Platten des Stapels stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können zwei Platten durch ein Diffusionsschweißverfahren stoffschlüssig zu einem nahtfreien monolithischen Block gefügt sein und mindestens zwei solcher monolithischen Blöcke stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt werden. In diesem Fall befinden sich die polymeren Kle ber in der so verbundenen Einheit nur zwischen jeder zweiten Platte. Dieser Aufbau wird als ”semi-welded” bezeichnet und erlaubt Anwendungen, bei denen beispielsweise ein Kanalsystem mit Kühlmedium gespült wird (geklebte Seite) und das zweite Kanalsystem zur Förderung aggressiver Medien dient (geschweißte Seite). In dieser Ausführungsform wird die extrem hohe Korrosionsbeständigkeit von insbesondere SiC-Komponenten mit den Vorteilen geklebter Einheiten, insbesondere der erhöhten Thermoschockbeständigkeit, der Wiederzerlegbarkeit und Möglichkeit zur Reinigung der Kühlmediumseite kombiniert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Platten nur auf einer Seite stoffschlüssig verbunden und auf der anderen kraftschlüssig. Der Kleber wird dabei einseitig, flächig aufgebracht und gehärtet. Diese Verbindungsform wird als Flüssigdichtung bezeichnet. Ein Ausgleich der Plattenunebenheiten ist hier über die Elastizität der verwendeten Flüssigdichtung möglich. Die Zerlegung der Bauteile zur Reinigung wird gegenüber durchgängig geklebten Apparaten deutlich erleichtert und verkürzt, allerdings sind gewisse Einbußen in der Druckbeständigkeit in Kauf zu nehmen. Die Thermoschockbeständigkeiten sind allerdings vergleichbar.
Gemäß einer anderen Ausführungsform dient das erfindungsgemäße Bauteil als Reaktor, beispielsweise für die Verdampfung und Kondensation, aber auch für andere Phasenumwandlungen, wie beispielsweise für gezielte Kristallisationsvorgänge. Beim Einsatz für die Verdampfung und Kondensation ist es zur Erzielung eines verringerten Druckverlustes bevorzugt, wenn der Abstand der Seitenwände der Führungskanäle zueinander vom Fluideinlass zum Fluidauslass hin größer bzw. kleiner wird.
Für eine besonders effektive Nutzung als Reaktor ist es zweckdienlich, zwischen den oben beschriebenen Wärmeübertragerplatten Reaktorplatten einzubauen, wobei dann die Wärmeübertragerplatten zur Temperierung der Reaktorplatten dienen. Die Reaktorplatten können verschiedene Geometrien aufweisen. Für eine kontrollierte Verweilzeit und definierte Ausscheidungsreaktion, wie etwa für gezielte Kristallisationsvorgänge, ist es beispielsweise vorteilhaft, Reaktorplatten mit durchgezogenen geraden Kanälen zu verwenden. Es lassen sich aber auch in der Reaktorplatte mindestens zwei zunächst getrennte Fluidströme bei einer definierten Temperatur miteinander vermischen.
Hierzu werden Kanalstrukturen verwendet, mit denen die Stoffströme in einem definierten Bereich der Reaktorplatte einander zugeführt und intensiv vermischt werden. Die Reaktorplatten können auch geeignete katalytische Beschichtungen aufweisen, die eine chemische Reaktion gezielt beschleunigen.
Die erfindungsgemäßen Bauteile, insbesondere in Form von Wärmeübertragern oder Mikroreaktoren, benötigen zur Einspannung und Anbindung von Flanschen nicht mehr die herkömmlichen schweren Gestelle, sondern brauchen nur an den Versorungsbohrungen mit einem entsprechenden Flanschsystem kontakiert werden. Geeignete Flanschsysteme hierfür können beispielsweise der WO 2007/110196 A1 entnommen werden.
Die erfindungsemäßen Bauteile können ferner durch ein einfaches und kostengünstiges Verfahren hergestellt werden.
Während der Bearbeitung der mit einem Kanalsystem versehenen Platten können die später mit Kleber in Berührung kommenden Flächen sandgestrahlt, geläppt, geschliffen oder poliert werden. Generell ist jedoch auch eine Verklebung von Keramikoberflächen möglich, wie sie direkt nach der Sinterung erhalten werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die zu fügenden Komponenten beidseitig mit Kleber zu beaufschlagen, wodurch eine gleichmässigere Verteilung des Klebers erreicht werden kann. Zur Gewährleistung der exzellenten wärmeleitenden Eigenschaften der bevorzugt eingesetzten SiC-Keramik ist dabei ein teilflächiger Auftrag (siehe Beispiel 3) gegenüber dem vollflächigen vorzuziehen. Dies kann beispielsweise über das Aufbringen von Schablonen realisiert werden. Auch eine Verwendung von strukturierten Sieben ist möglich.
Bevorzugt ist in allen Fällen eine abschließende Reinigung der zu fügenden Platten, beispielsweise mit Ethanol oder Aceton, die vor dem Kleberkontakt stattfinden muss.
Die polymeren Kleber können mittels üblicher Verfahren wie beispielsweise Walzen, Rollen, Rakeln, Spachteln oder Siebdruck aufgebracht werden. Auch der Einsatz von Kleberobotern ist möglich. Beim Verkleben der Platten, deren Ebenheit und Planparallelität durch die vorhandenen Bearbeitungstechniken insbesondere bei großformatigen Platten begrenzt ist, ist darauf zu achten, dass Plattenunebenheiten durch den Kleber ausgeglichen werden können und dass die minimale Dicke der Klebeverbindungen 25 μm nicht unterschreitet. Die minimale Dicke kann durch den beim Zusammensetzen der einzelnen Platten aufzubringenden, notwenigen Anpressdruck eingestellt werden. Auch eine Regulierung durch Zugabe von Abstandshaltern, wie beispielsweise Glasperlen definierter Größe, Netze oder Gewebe ist möglich.
Nach dem Zusammensetzen des Plattenstapels erfolgt die Aushärtung der Kleber, während der die zu fügende Einheit fixiert werden muss. Bei Verwendung von temperaturaushärtenden Epoxidklebern ist üblicherweise eine Aushärtetemperatur > 120°C notwendig, vorzugsweise von 185°C. Die Aushärtedauer beträgt vorzugsweise 30–60 min. Bei Siliconklebern werden solche bevorzugt, deren Aushärtedauer (kondensations-, feuchte- oder temperaturaushärtend) 24 Stunden, vorzugsweise 6 Stunden, nicht überschreitet.
Die Kleber können durch Temperaturbehandlungen oberhalb von 300°C, vorzugsweise um 500°C, zersetzt und ausgebrannt werden. Die aus dem keramischen Werkstoff oder Glas gefertigten Komponenten überstehen diese Behandlung, ohne eine Schädigung zu nehmen. Somit lassen sich einmal geklebte Verbindungen lösen und die Komponenten können nach einer Reinigung beliebig oft wiederverwendet werden. Mit anderen Werkstoffen wie Stahl oder imprägniertem Graphit wäre eine Behandlung dieser Art aufgrund des Anlaufens oder Zersetzung der Imprägnierung nicht möglich oder zumindest höchst kritisch. Kleber auf Keramikbasis, wie in DE 197 17 931 C1 verwendet, lassen sich aufgrund der Temperaturbeständigkeit nicht ausbrennen. Diffusionsgeschweißte Keramikkomponenten lassen sich ebenfalls nicht zerstörungsfrei zerlegen.
Kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen
1 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten Wärmeübertragerplatte aus gesintertem Keramikmaterial;
2 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten Reaktorplatte; und
3 zeigt die zur Bestimmung der in Beispiel 5 beschriebenen Druck-Scherfestigkeit verwendete Prüfvorrichtung.
Wie in 1 gezeigt, weist eine erfindungsgemäß einsetzbare Platte 1 ein aus Führungskanälen 2 gebildetes Kanalsystem auf, das einen im wesentlichen mäanderförmigen Verlauf des Fluidstroms über die Fläche der Platte ermöglicht. Die Seitenwände 3 der Führungskanäle 2 bestehen bei dieser Abbildung aus Stegen mit einer Breite von 3 mm, welche eine Vielzahl von Durchbrüchen 4 mit einer Breite von 3,5 mm aufweisen. Die Platte weist weiterhin eine erste Zuführöffnung 5 sowie eine erste Abführöffnung 6 für einen Fluidstrom, jeweils in Form einer Bohrung mit einem Radius von 30 mm auf. Ferner sind in der Platte eine zweite Zuführöffnung 7 und eine zweite Abführöffnung 8, die als Durchführung zur Versorgung einer Nachbarkammer mit einem anderen Medium dienen, vorgesehen. Die zweite Zuführöffnung und zweite Abführöffnung bestehen jeweils aus Bohrungen mit einem Radius von 32 mm. Die Gesamtlänge der Platte beträgt bei dieser Ausführungsform 500 mm und deren Breite 200 mm. Wie ersichtlich, weist das Kanalsystem bei dieser Ausführungsform eine Spiegelsymmetrie auf. Durch diese Spiegelsymmetrie wird ermöglicht, dass die Platten abwechselnd um jeweils 180° verdreht gegeneinander aufeinander gestapelt werden können, so dass die Zuführöffnungen sich abwechselnd einmal links und einmal rechts befinden.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäß einsetzbare Reaktorplatte 9 mit einer ersten Zuführöffnung 10 für einen ersten Fluidstrom und einer zweiten Zuführöffnung 11 für einen zweiten Fluidstrom. Die beiden Fluidströme werden dann durch die Schikanen 12 so einander zugeführt, dass eine intensive Vermischung der Fluidströme stattfindet. Der gemischte Stoffstrom wird dann über die Abführöffnung 13 abgeführt.
Die Prüfvorrichtung gemäß 3 besteht aus zwei Spannbacken 14, 15, zwischen denen die geklebte Probe 16 eingelegt wird, wobei der rechte Spannbacken 14 mit einem Hebel 17 zur Fixierung der Probe 16 versehen ist. Diese Vorrichtung wird in eine Standard-Prüfapparatur eingesetzt, der linke Spannbacken 15 wird während des Tests nach unten gefahren und somit eine Druck-Scherung in der Klebeschicht der Proben realisiert.
Beispiele und Vergleichsbeispiele
Die nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Wärmeübertrager aus Platten der Abmessungen 260 × 120 × 6,5 mm

(1) Es werden SSiC-Platten mit bimodalem Gefüge verwendet, wobei 50 bis 90 Vol.-% der Korngrößenverteilung aus prismatischen, plättchenförmigen SiC-Kristalliten einer Länge von 100 bis 1500 μm besteht und 10 bis 50 Vol.-% aus prismatischen, plättchenförmigen SiC-Kristallite einer Länge von 5 bis weniger als 100 μm (EKasic^® C von ESK Ceramics GmbH & Co.). Die SSiC-Platten haben eine Länge von 260 mm, eine Breite von 120 mm und eine Dicke von 6,5 mm.
(2) Für die Herstellung einer Wärmeübertragereinheit werden vier (Zwischen-)Platten sowie eine Boden- und eine Deckelplatte verwendet. In die Zwischenplatten eingearbeitet finden sich 3,5 mm tiefe Führungskanäle nach Art der 1, die das spätere Kanalsystem ausbilden. Die Boden- und Deckelplatten enthalten keine Kanalstruktur, der Deckel ist mit Zuführungsöffnungen versehen. Die Platten sind in der Einheit so angeordnet, dass zwei Stoffströme im Gegenstrom Wärme austauschen können.
(3) Als Kleber wird ein Einkomponenten-Epoxidkleber der Henkel KGaA mit der Bezeichnung Loctite Hysol^® 9514 eingesetzt, der eine Viskosität von 42000 mPa·s aufweist.
(4) Die während der Hartbearbeitung geschliffenen Oberflächen der Platten zeigen in diagonaler Richtung einen leichten Verzug (etwa 100 μm Unebenheit). Sie werden mit Aceton gereinigt und der Kleber beidseitig mittels einer mit Rillen versehenen Rakel aufgebracht. Die in die Rakel eingebrachten Rillen besitzen eine Tiefe von 300 μm. Ihre Breite ist so eingestellt, dass sich nach dem Ausspreiten des Klebers eine Schichtdicke von 100 μm bildet. Durch das beidseitige Auftragen wird eine gute und vollständige Benetzung der beschichteten Plattenoberfläche erleichtert. Es ist aber auch möglich, einseitig zu beschichten, wobei in diesem Fall die Kleberdicke auf 200 μm erhöht wird. Während der Verarbeitung bei Raumtemperatur ist keine Hautbildung zu beobachten. Das strukturierte Aufbringen des Klebers erlaubt ein Entweichen der Luft beim Zusammensetzen der einzelnen Komponenten und verhindert so die Blasenbildung und Reduzierung der Klebefläche. Die SSiC-Platten werden beim Zusammensetzen mit leichtem Druck belastet, so dass sich der Kleber den Unebenheiten der Platte anpasst. Zusätzlich muss die Planparallelität zwischen Boden- und Deckelplatte gewährleistet werden, und eine minimale Kleberdicke von 25 μm darf nicht unterschritten werden. Für die im Beispiel verwendeten SSiC-Platten wird eine Anpresskraft von 25 N verwendet.
(5) Der Kleber wird im Trockenschrank bei 150°C innerhalb 30 min gehärtet.
(6) Die geklebte Einheit wird in einem Metallgestell zwischen zwei Stahlplatten eingespannt (Anzugsmoment der Schrauben 15 Nm) und die Kanäle über die Zuführungen mit Wasser bis zu einem Innendruck von 18 bar beaufschlagt. Die verbundene Wärmeübertragereinheit hält dem Druck stand. Eine Beaufschlagung oberhalb 18 bar ist in der (für die im Beispiel verwendeten SSiC-Platten) vorhandenen Testapparatur nicht möglich, über den maximalen Innendruck ist daher keine Aussage möglich.

Beispiel 2
Wärmeübertrager aus Platten der Abmessungen 500 × 200 × 6,5 mm

(1) Es werden SSiC-Platten aus EKasic^® C (Gefüge wie in Beispiel 1 beschrieben) mit einer Länge von 500 mm, einer Breite von 200 mm und einer Dicke von 6.5 mm verwendet.
(2) Die Wärmeübertragereinheit besteht aus vier (Zwischen-)Platten sowie einer Boden- und einer Deckelplatte, die im Gegenstrom geschaltet sind.
(3) Als Kleber wird ein Einkomponenten-HochtemperaturSilicon eingesetzt, der eine Viskosität von > 50000 mPa·s aufweist.
(4) Die während der Hartbearbeitung geschliffenen Oberflächen der Platten zeigen in diagonaler Richtung einen, verglichen mit Beispiel 1, größeren Verzug von etwa 200 μm. Sie werden mit Aceton gereinigt und der Kleber einseitig mittels einer Rolle aufgebracht. Die Kleberdicke wird über Einlegscheiben, die vor dem Zusammensetzen wieder entfernt werden, eingestellt und beträgt etwa 1 mm. Die Verarbeitung erfolgt zügig, da bei diesem Kleber die Hautbildung nach ca. 20 min einsetzt. Für die im Beispiel verwendeten SSiC-Platten wird eine Anpresskraft von 100 N verwendet, wobei überschüssiger Kleber aus den Spalten gedrückt wird. Die minimale Kleberdicke von 25 μm wird nicht unterschritten.
(5) Der Siliconkleber härtete unter Essigsäureabspaltung innerhalb von 24 h aus.
(6) Die geklebte Einheit wird in einem Metallgestell zwischen zwei Stahlplatten über Federn (Vorspannung 130 kN) eingespannt und die Kanäle über die Zuführungen mit Wasser bis zu einem Innendruck von 8,5 bar beaufschlagt, ohne dass die verbundene Wärmeübertragereinheit leckt. Eine Beaufschlagung oberhalb 8,5 bar ist in der (für die im Beispiel verwendeten SSiC-Platten) vorhandenen Testapparatur nicht möglich.

Beispiel 3
Wärmeübertrager aus Platten der Abmessungen 500 × 200 × 6,5 mm

(1) Es werden SSiC-Platten aus EKasic^® C (Gefüge wie in Beispiel 1 beschrieben) mit einer Länge von 500 mm, einer Breite von 200 mm und einer Dicke von 6.5 mm verwendet.
(2) Die Wärmeübertragereinheit besteht aus vier (Zwischen-)Platten sowie einer Boden- und einer Deckelplatte, die im Gegenstrom geschaltet sind.
(3) Als Kleber wird der Einkomponenten-Epoxidkleber Loctite Hysol^®9514 eingesetzt.
(4) Das Aufbringen des Klebers erfolgt beidseitig, jedoch soll die nichtstrukturierte Seite der SSiC-Platten nicht vollflächig mit Kleber bedeckt werden. Ziel ist es, die Wärmeübertragung so wenig wie möglich durch den thermisch isolierenden Kleber zu senken. Um das Design der strukturierten Seite (Ränder und Stege) zu übertragen werden Schablonen angefertigt, auf die während der Hartbearbeitung geschliffen Oberflächen der Platten (etwa 200 μm Unebenheit) aufgebracht und nach der Reinigung der Platten mit Ethanol die teilflä chige Beschichtung realisiert. Gearbeitet wird mit einer mit Rillen (Tiefe etwa 500 μm) versehenen Rakel, die eine Schichtdicke von 200 μm nach dem Ausspreiten des Klebers erzeugt. Das Zusammensetzen der SSiC-Platten erfolgt mit einer Anpresskraft von 50 N, die sich als ausreichend erweist.
(5) Der Kleber wird im Trockenschrank bei 180°C innerhalb 30 min gehärtet.
(6) Die geklebte Einheit wird in einem Metallgestell zwischen zwei Stahlplatten über Federn (Vorspannung 37 kN) eingespannt und die Kanäle über die Zuführungen mit Wasser bis zu einem Innendruck von 8,5 bar beaufschlagt, ohne dass Leckage auftritt.
(7) Zur Bestimmung des maximal zulässigen Innendrucks (als Berstdruck bezeichnet) wird die verbundene Wärmeübertragereinheit in Spannbacken eingesetzt und bis zum Bruch über die Zuführungen mit Wasser beaufschlagt. Der ermittelte Berstdruck liegt bei 105 bar.

Beispiel 4
Wärmeübertrager aus Platten der Abmessungen 500 × 200 × 6,5 mm

(1) Es werden SSiC-Komponenten mit feinkörnigem Gefüge verwendet, wobei die mittlere Korngröße < 5 μm liegt (EKasic^® F von ESK Ceramics GmbH & Co.). Die SSiC-Platten haben eine Länge von 500 mm, eine Breite von 200 mm und eine Dicke von 6.5 mm.
(2) Die Wärmeübertragereinheit besteht aus vier (Zwischen-)Platten sowie einer Boden- und einer Deckelplatte, die im Gegenstrom geschaltet sind.
(3) Als Kleber wird der Einkomponenten-Epoxidkleber Loctite Hysol^®9514 eingesetzt.
(4) Das Aufbringen und Aushärten des Klebers erfolgt wie in Beispiel 3 beschrieben.
(5) Die geklebte, ins Metallgestell gespannte Einheit wird mit Wasser bis zu einem Innendruck von 8,5 bar beaufschlagt, ohne dass Leckage auftritt. Eine Aussage über den maximalen Innendruck ist in der (für die im Beispiel verwendeten SSiC-Platten) vorhandenen Testapparatur nicht möglich.

Beispiel 5
Scherfestigkeitsversuche an Platten der Abmessungen 25 × 25 × 9,5 mm

(1) Es werden SSiC-Platten aus EKasic^® C (Gefüge wie in Beispiel 1 beschrieben) mit einer Länge von 25 mm, einer Breite von 25 mm und einer Dicke von 9,5 mm verwendet.
(2) Als Kleber wird der Einkomponenten-Epoxidkleber Loctite Hysol^®9514 eingesetzt.
(3) Die Oberflächen der Platten werden während der Hartbearbeitung planparallel geschliffen, es liegt kein Verzug vor. Die Oberfläche wird mit einer Schablone bedeckt, deren Aussparung eine Fläche von 4 mm auf 4 mm freigibt. Nach der Reinigung mit Ethanol wird der Kleber beidseitig mittels einer gerillten Rakel aufgebracht. Die Platten werden unter leichtem Druck zusammengesetzt und zwischen 150 und 210°C während 60 min ausgehärtet.
(4) Die resultierende Schichtdicke wird mit Hilfe eines Mikroskops ausgemessen. Für die Tests werden Proben mit Schichtdicken zwischen 25 und 300 μm herangezogen.
(5) Die Bestimmung der Druck-Scherfestigkeit der geklebten Proben wird mittels der in 3 gezeigten Prüfvorrichtung realisiert, die in eine Standard-Prüfapparatur eingesetzt wird. Die Proben werden auf der rechten Seite bündig an den Spannbacken angelegt und einseitig über den Hebel fixiert. Der linke Spannbacken liegt lose aber plan an. Während des Tests wird er mit einer Prüfgeschwindigkeit von 3 mm/min nach unten gefahren, bis der Bruch eintritt. Verläuft dieser in der Kleberschicht, erfolgt die zur Auswertung notwendige Ausmessung der tatsächlichen Klebefläche. Zusammen mit der beim Bruch aufgenommenen Scherkraft ergibt diese die Scherfestigkeit der Klebeverbindung.
(6) Die Auswertung zeigt, dass die Scherfestigkeit im Bereich zwischen 80 und 180 μm konstant bei etwa 50 N/mm² liegt, während sie unterhalb 80 μm etwas abfällt und oberhalb von 180 μm auf 40 N/mm² sinkt. Für die Klebungen mit dem Einkomponenten-Epoxidkleber Loctite Hysol^®9514 wird daher eine optimale Kleberdicke von 80–180 μm bevorzugt.
(7) Die Bestimmung der Scherfestigkeit in Abhängigkeit von der Aushärtetemperatur ergibt ein Optimum bei 185°C. Die Scherfestigkeit liegt hier bei ≥ 50 N/mm² im Gegensatz zu etwa 40 N/mm² bei 150 und 210°C.

Beispiel 6
Zyklischer Prüfstandtest an teilflächig geklebtem Wärmeübertrager

(1) Der geklebte Wärmeübertrager wird wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt. Die Einheit besteht aus vier (Zwischen-)Platten sowie einer Boden- und einer Deckelplatte, die im Gegenstrom geschaltet sind. Die Platten sind 500 mm lang, 200 mm breit und 6.5 mm dick.
(2) Die geklebte Einheit wird in einem Metallgestell zwischen zwei Stahlplatten über Federn (Vorspannung 100 kN) eingespannt und in die Prüfapparatur eingesetzt. Eine Seite der Kanäle wird über die Zuführungen mit 13,5°C kaltem Kühlwasser (Durchfluss 1000 l/h) gespült, die zweite Seite mit Dampf (110°C, ca. 80 kg/h). Nach einer Haltezeit von 2 h werden mehrere Zyklierungen durchgeführt, wobei abwechselnd Kühlwasser und Dampf schlagartig ab- und zugeschaltet werden.
(3) Die geklebte Einheit übersteht sowohl die Haltezeit als auch die Temperaturzyklen ohne erkennbaren Schaden am Wärmeübertrager.
(4) Die ermittelten Werte für den Wärmeübertrag (k-Werte) liegen bei 6000 W/m²K.

Beispiel 7
Zyklischer Prüfstandtest an vollflächig geklebtem Wärmeübertrager
Beispiel 3 wird wiederholt, jedoch erfolgt der Kleberauftrag nicht teilflächig, sondern vollflächig. Die Einspannung und Prüfung wird gemäß Beispiel 6 durchgeführt. Während der Haltezeit wird der Wärmeübertrag ermittelt, die k-Werte liegen bei 2500 W/m²K.
Vergleichsbeispiel 1
Wärmeübertrager aus Platten der Abmessungen 260 × 120 × 6.5 mm
Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch erfolgt der 100 μm Kleberauftrag nur einseitig, das heißt für Vergleichsbeispiel 1 ist die Klebermenge halbiert. Nach dem Aushärten wird die geklebte Einheit im Metallgestell zwischen zwei Stahlplatten eingespannt. Beim Anziehen der Schrauben kommt es vor Erreichen des Anzugsmomentes von 15 Nm zum Bruch der SSiC-Komponenten. Die Bruchauslöser werden an Stellen beobachtet, an denen die Klebedicke 25 μm unterschreitet. Hier entstehen während des Anziehens Druckspitzen in der Keramik, die zum Bruch führen.
Vergleichsbeispiel 2
Monolithische Wärmeübertrager aus Platten der Abmessungen 500 × 200 × 6.5 mm
Über das Heißfügen gemäß WO 2007/110196 A1 hergestellte monolithische Wärmeübertrager werden, wie in Beispiel 3 beschrieben, in Spannbacken hinsichtlich des maximal zulässigen Innendrucks getestet. Der mittlere Berstdruck wird mit 50 bar ermittelt.
Vergleichsbeispiel 3
Zyklischer Prüfstandtest an monolithischem Wärmeübertrager

(1) Der monolithische Wärmeübertrager wird über das Heißfügen gemäß WO 2007/110196 A1 hergestellt und besteht aus vier (Zwischen-)Platten sowie einer Boden- und einer Deckelplatte, die im Gegenstrom geschaltet sind. Die Platten sind 500 mm lang, 200 mm breit und 6,5 mm dick.
(2) Die Einspannung und Prüfung erfolgt wie unter Beispiel 6 beschrieben.
(3) Der monolithische Wärmeübertrager bricht kurz nach Erreichen der Dampftemperatur von 110°C. Eine Haltezeit mit anschließenden Temperaturzyklen ist nicht möglich.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004044942 A1 [0009, 0025]
- WO 2007/110196 A1 [0010, 0025, 0036, 0037, 0044, 0061, 0061]
- WO 2007/112945 A1 [0014]
- JP 2007-136292 A [0015, 0027]
- DE 19717931 C1 [0018]
- DE 19717931 C [0051]

Claims

Bauteil aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Platten (1), in welchen ein Kanalsystem aus Fluidstrom-Führungskanälen (2) ausgebildet ist, wobei mindestens zwei Platten des Stapels, von denen eine aus einem keramischen Werkstoff und die andere aus einem keramischen Werkstoff oder Glas besteht, stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt sind.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei der polymere Kleber ein Epoxid- oder Siliconkleber, vorzugsweise ein einkomponentiger Epoxid- oder Siliconkleber, ist.
Bauteil nach Anspruch 2, wobei der Siliconkleber im ausgehärteten Zustand eine Shore-Härte zwischen 25 und 40 aufweist.
Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Falle von Unebenheiten der gefügten Platten der polymere Kleber nicht als gleichmäßige Schicht ausgebildet, sondern an die Unebenheiten der Platten angepasst ist.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der polymere Kleber inaktive oder aktive Füllstoffe enthält, wobei die aktiven Füllstoffe vorzugsweise Pulver oder Granulate aus einem keramsichen Material sind.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der keramische Werkstoff mindestens einer der gefügten Platten (1) aus Siliciumcarbid (SiC), gesintertem Siliciumcarbid (SSiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkondioxid (ZrO₂), Titandiborid (TiB₂) oder Kombinationen davon, vorzugsweise aus gesintertem Siliciumcarbid (SSiC), besteht.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Führungskanäle (2) in der Platte (1) mit einer ersten Zuführöffnung (5) und einer ersten Abführöffnung (6) für ein erstes Fluid verbunden sind, und die Platte (1) mit einer zweiten Zuführöffnung (7) und einer zweiten Abführöff nung (8) für ein zweites Fluid zur Versorgung einer benachbarten Platte (1) versehen ist.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Platten (1) eine Dicke im Bereich von 0,2–20 mm, vorzugsweise etwa 3 mm aufweisen.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Seitenwände (3) der Führungskanäle (2) eine Höhe im Bereich von 0,2–30 mm, vorzugsweise 0,2–10 mm, weiter vorzugsweise 0,2–5 mm, aufweisen.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sämtliche Platten des Stapels stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt sind.
Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwei Platten (1) durch ein Diffusionsschweißverfahren stoffschlüssig zu einem nahtfreien monolithischen Block gefügt sind und mindestens zwei solcher monolithischen Blöcke stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Kleberschicht aus einem polymeren Kleber gefügt sind.
Bauteil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem es sich um einen Plattenwärmeübertrager handelt.
Bauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem es sich um einen Reaktor mit mindestens zwei getrennten Fluidkreisläufen handelt.
Reaktor nach Anspruch 13, wobei zusätzlich eine oder mehrere Reaktorplatten (9) zwischen den Platten (1) vorgesehen sind, wobei die Reaktorplatten (9) ein von den Platten (1) verschiedenes Kanalsystem aufweisen.
Reaktor nach Anspruch 14, wobei das in den Reaktorplatten (9) ausgebildete Kanalsystem die Vermischung von mindestens zwei zunächst getrennten Fluidströmen ermöglicht.
Reaktor nach Anspruch 14 und/oder 15, wobei die Reaktorplatten (9) katalytisch beschichtet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte – Aufbringen eines polymeren Klebers auf mindestens eine der Klebeflächen der zu fügenden Platten (1), – Aufeinanderstapeln der zu fügenden Platten (1), – Zusammenpressen der Platten (1) in der Weise, dass gegebenenfalls vorhandene Plattenunebenheiten durch den Kleber ausgeglichen werden können, und Fixieren des Plattenstapels, und – Aushärten des polymeren Klebers unter Beibehaltung der Fixierung in der Weise, dass eine Mindestdicke der Kleberschicht von 25 μm nicht unterschritten wird.