Die Erfindung bezieht sich auf einen porösen Keramikkörper, die Herstellung eines solchen Keramikkörpers und die Verwendung desselben. Es sind offenporige Schaumkörper mit einer dreidimensionalen, keramischen Netzstruktur bekannt, die beispielsweise als Filter für die Heissgasbehandlung oder als Katalysatorträger Anwendung finden.
Derartige offenporige Schaumkörper oder poröse Keramikkörper sind beispielsweise erhältlich, ausgehend von einem weichen, offenporigen Kunststoffschaumblock, welcher mit einem keramischen Schlicker derart imprägniert wird, dass das dreidimensionale, keramische Netzwerk des Kunststoffschaumblocks vollständig mit keramischem Schlicker überzogen ist. Der imprägnierte Kunstoffschaumblock wird einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Anmachflüssigkeit des Schlickers verschwindet, sich die keramischen Bestandteile soweit verfestigen, dass die Struktur, nunmehr aus keramischem Material, soweit verfestigt, dass diese selbsttragend wird, der Kunststoffschaum sich verflüchtigt und durch chemische oder physikalische Bindung die keramische Netzstruktur sich weiter verfestigt.
Derartige Verfahren sind beispielsweise bekannt aus der DE 2 613 023, DE 2 661 118, DE 2 932 614, DE 2 942 042, DE 3 040 754 oder der DE 3 424 504.
Bei bekannten Heissgas- bzw. Katalysebehandlungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Filterkeramiken in Form von zylindrischen, stabil ausgebildeten Blöcken herzustellen. Solche Blöcke werden durch in bezug auf die Bewegungsrichtung des Gases wechselseitig vorne und hinten offene Bohrungen mit einer hohen inneren Oberfläche versehen, die eine ausreichende Durchströmbarkeit der Filterkeramik sicherstellt. Solche Keramikstrukturen sind beispielsweise aus der EP-B 0 206 250 oder EP-B 0 192 158 bekannt.
Das Prinzip der Heissgasfiltration bzw. Katalyse mit einer offenporigen Schaumkeramik geht aus Fig. 1 hervor, welche in bezug auf die Vorrichtung den Stand der Technik darstellt. Das in Längsrichtung durch den Schaumkörper 10 aus Keramik fliessende Gas, durch Pfeile L dargestellt, tritt auf der Eingangs-Stirnseite 12 in längslaufende Strömungskanäle 14 ein, welche in Richtung der Ausgangs-Stirnseite 16 des keramischen Schaumkörpers 10 verschlossen sind.
Das in den Strömungskanälen 14 aufgebaute Druckpotential bewirkt, dass das Gas durch die offenporigen Zwischenwände 18 des keramischen Schaumkörpers in benachbarte, ebenfalls längslaufende Strömungskanäle 20 übertritt, welche in Richtung der Ausgangs-Stirnseite 16 offen, in Richtung der Eingangs-Stirnseite 12 dagegen geschlossen sind.
Anhand von punktierten Linien 22 wird beispielhaft der Weg von Gasmolekülen durch den keramischen Schaumkörper 10 gezeigt. Im weitaus überwiegenden Fall treten die Gasmoleküle von einem Strömungskanal 14 unter gesamthaft etwa vertikaler Ablenkung durch eine poröse Zwischenwand 18 in einen Strömungskanal 20, von wo sie abfliessen. Je nach dem Typ des Schaumkörpers werden beim Durchgang durch die poröse Zwischenwand 18 die Festbestandteile aus dem Gas entfernt oder eine katalytische Reaktion läuft ab. Im Falle der Katalyse kann die offenporige Schaumkeramik aus katalytisch aktivem Material bestehen, zumindest teilweise katalytisch aktives Material enthalten oder zumindest teilweise an der inneren Oberfläche damit bedeckt sein.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass die bisher erreichten Lösungen nicht allen Problemen gerecht werden. Beispielsweise bei der Filtration von Abgasen und insbesondere von Feststoffpartikeln, wie Kohlenstoff und Russ aus den Abgasen von Dieselmotoren, zeigte es sich, dass die Eintrittskanäle sehr ungleich beladen werden. Die Partikel lagern sich zuerst am Ende der Eintrittskanäle ab. Unter dieser ungleichmässigen Beladung von Feststoffpartikeln leidet nun die Effizienz solcher Filter, insbesondere bei beispielsweise dynamischen Motorzuständen unter starker Belastung, wie starten oder beschleunigen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Keramikkörper zu schaffen, der bei Beaufschlagung durch ein Gas durch eine Mehrfachlenkung und beispielsweise Mehrfachfiltration für gleichmässige Gasverteilung und Gasströmungsgeschwindigkeiten und gegebenenfalls durch eine Gleichmässigkeit in einer Feststoffpartikelablagerung durch das Filtervolumen hindurch ausgezeichnet ist, ohne jedoch einen höheren Druckverlust des Gases durch den Keramikkörper hindurch hinnehmen zu müssen.
Erfindungsgemäss wird das durch einen porösen Keramikkörper erreicht, der ein Einlass- und ein Auslassende aufweist, der eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen, die voneinander durch poröse Zwischenwände getrennt sind, aufweist, wobei ein Teil der Strömungskanäle am Einlassende offen und gegen das Auslassende geschlossen sind, um Einlassöffnungen zu bilden, und ein Teil der Strömungskanäle gegen das Einlassende geschlossen sind und am Auslassende offen sind, um Auslassöffnungen zu bilden, und wobei die Ein- und Auslasskanäle derart wechselseitig angeordnet sind, dass ein in die Einlasskanäle eintretender Fluidstrom durch die porösen Zwischenwände hindurch in die Auslasskanäle durchtreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper wenigstens einen von porösen Zwischenwänden vollständig umgebenen Hohlraum, der zwischen den Strömungskanälen,
die am Einlassende offen sind, und den Strömungskanälen, die am Auslassende offen sind, angeordnet ist, aufweist.
In zweckmässiger Ausführungsform enthält der poröse Keramikkörper, wie oben beschrieben, eine Mehrzahl von Hohlräumen. Besonders zweckmässig sind poröse Keramikkörper, wie oben beschrieben, in denen die Hohlräume Strömungskanäle darstellen, die in der Form des Querschnitts und im Mass des Querschnitts der am Einlassende und der am Auslassende offenen Strömungskanäle entsprechen.
Bevorzugt sind poröse Keramikkörper, wie beschrieben, wobei der Keramikkörper eine Anzahl Strömungskanäle, die am Einlassende offen sind, und die gleiche Anzahl Strömungskanäle, die am Auslassende offen sind, aufweist und die Zahl der Hohlräume etwa dieser Anzahl entspricht.
Weiter bevorzugt sind poröse Keramikkörper, wie beschrieben, wobei die Strömungskanäle, die am Einlassende offen und am Auslassende geschlossen sind, sich von einer Stirnseite bis in den Bereich der anderen Stirnseite erstrecken und die Strömungskanäle, die am Einlassende geschlossen und am Auslassende offen sind, sich vom Bereich der einen Stirnseite bis an die andere Stirnseite erstrecken und dass der oder die Hohlräume sich vom Bereich der einen Stirnseite bis in den Bereich der anderen Stirnseite erstrecken.
In den porösen Keramikkörpern werden vorzugsweise parallel verlaufende Strömungskanäle gebildet, welche sich alternierend von einer Stirnseite des Körpers bis in den Bereich der andern Stirnseite erstrecken. Die Tiefe der Strömungskanäle liegt vorzugsweise bei wenigstens dem fünffachen Wert von deren kleinster Querschnittsabmessung bzw. dem Durchmesser einer Bohrung. Das Ende der Kanäle hat zweckmässig einen Abstand von der benachbarten Stirnseite, der wenigstens dem gegenseitigen Abstand der Kanäle entspricht. Damit wird verhindert, dass ein nennenswerter Teil des Gases L min direkt durch die Ausgangs-Stirnseite des gebildeten keramischen Schaumkörpers austritt (beispielhaft in Fig. 1 eingezeichnet).
In einer weiteren zweckmässigen Ausführungsform nach vorliegender Erfindung sind die porösen Keramikkörper dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle, die am Einlassende offen und gegen das Auslassende geschlossen sind, sich nur über einen Teil der Länge des Keramikkörpers erstrecken, und/oder die Strömungskanäle, die gegen das Einlassende geschlossen und am Auslassende offen sind, erstrecken sich nur über einen Teil der Länge des Keramikkörpers.
In dieser letzteren Ausführungsform sind poröse Keramikkörper bevorzugt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Strömungskanäle, die am Einlassende offen und gegen das Auslassende geschlossen sind, und die Strömungskanäle, die gegen das Einlassende geschlossen und am Auslassende offen sind, sich über weniger als die Hälfte der Länge des Keramikkörpers erstrecken.
In besonders bevorzugter Ausbildungsform des porösen Keramikkörpers nach vorliegender Erfindung befinden sich die Strömungskanäle, die am Einlassende offen und gegen das Auslassende geschlossen sind, mit jeweils wenigstens einem Hohlraum und/oder mit jeweils einem Strömungskanal, der gegen das Einlassende geschlossen und am Auslassende offen ist, vorzugsweise mit gleicher Längsachse, in einer Flucht.
In anderer besonders bevorzugter Ausbildungsform des porösen Keramikkörpers nach vorliegender Erfindung, befinden sich die Strömungskanäle, die am Einlassende offen und gegen das Auslassende geschlossen sind, jeweils mit einem Strömungskanal, der gegen das Einlassende geschlossen und am Auslassende offen ist, vorzugsweise mit gleicher Längsachse, in einer Flucht, und der oder die Hohlräume weisen die Form einer Bohrung, die parallel und seitlich versetzt zu den Strömungskanälen angeordnet ist, auf.
Allen Ausführungsformen vorliegender poröser Keramikkörper gemeinsam sind die Gestaltungen der Strömungskanäle oder Bohrungen und Hohlräume. Die Strömungskanäle oder Bohrungen und die Hohlräume können beispielsweise einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen, wobei alle geometrischen Formen, wie z.B. kreisrund, halbrund, elliptisch, drei- bis zwölfeckig, rechteckig und quadratisch denkbar sind.
Die Kanalwände oder Bohrungswände und die Wände der Hohlräume können gerade oder sich verengend bzw. sich ausweitend verlaufen. Andere beispielhafte Formen für Hohlräume sind solche, die unabhängig voneinander, in Strömungsrichtung des Gases sich kontinuierlich oder gestuft ausweiten und in etwa der Hälfte ihrer Längenausdehnung wieder einengen. Beispielhafte Formen von Kanälen, die am Einlassende offen und im Bereich des Auslassendes geschlossen sind, weisen eine in Gasströmungsrichtung sich verengende Form auf, während Kanäle, die im Bereich des Einlassendes geschlossen und zum Ausgangsende offen sind, in Gasströmungsrichtung sich ausweitende Form aufweisen. Bevorzugt sind Strömungskanäle und Hohlräume in Form von Bohrungen, die runden, dreieckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen und deren Wände mit der Längsachse des porösen Keramikkörpers parallel laufen.
Die linearen Querschnittsabmessungen eines Strömungkanals liegen beispielsweise bei 5-50 mm.
Die gegenseitigen Abstände zwischen den parallel verlaufenden Strömungskanälen und Hohlräumen liegen zweckmässig im Bereich von 10-150 mm, bevorzugt für Heissgasfilter bei 10-30 mm und bei Katalysatorträgern bei 10-150 mm. Der Abstand des Endes eines Kanals von der benachbarten Stirn seite oder der beiden Enden eines Hohlraumes von den Stirnseiten liegt bei 10-50 mm, insbesondere 20-30 mm. Mit anderen Worten ist ein Kanal 10-50 mm, vorzugsweise 20-30 mm, kürzer als die Gesamtlänge des entsprechenden Keramikkörpers. Sowohl die gegenseitigen Abstände zwischen den Kanälen als auch die Abstände von deren Ende zur benachbarten Stirnwand des Keramikkörpers sind in der Praxis etwa gleich gross.
Betrachtet man den gesamten Querschnitt der erfindungsgemässen Keramikkörper, so liegen die Strömungskanäle und Hohlräume zweckmässig quadratisch oder hexagonal verteilt vor. Die porösen Keramikkörper nach vorliegender Erfindung haben beispielsweise die Aussenmasse von 100-600 mm Länge, als Heissgasfilter zweckmässig von 100-400 mm Länge, als Katalysatorträger von zweckmässig 150-600 mm Länge und in allen Fällen bevorzugt von 150-400 mm Länge, weiter von 80-400 mm Durchmesser oder Kantenlänge, als Heissgasfilter zweckmässig von 80-350 mm oder als Katalysatorträger zweckmässig von 100-400 mm Durchmesser oder Kantenlänge, und in allen Fällen bevorzugt ist ein Durchmesser oder eine Kantenlänge von 100 bis 350 mm.
Die Porenzahl pro Inch (ppi) der keramischen Schaumstruktur liegt beispielsweise bei 10-120 ppi, zweckmässig für Heissgasfilter bei 50-120 ppi und für Katalysatoren 10-70 ppi. Bevorzugt für Heissgasfilter wird eine Porenzahl von 65-100 ppi.
Der Durchmesser oder die Kantenlänge der bevorzugt als Bohrungen mit rundem, dreieckigem oder quadratischem Querschnitt gestalteten Hohlräume beträgt beispielsweise 5-50 mm, bevorzugt für Heissgasfilter 5-15 mm und besonders bevorzugt 6-15 mm und für Katalysatorträger 5-25 mm und besonders bevorzugt 6-15 mm.
Die beschriebenen porösen Keramikfilter nach vorliegender Erfindung sind auf verschiedene Weise erhältlich.
Ein zweckmässiges Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikkörpers (10) nach vorliegender Erfindung mit einer dreidimensionalen keramischen Netzstruktur (24), ausgehend von einem weichen offenporigen Kunststoff-Schaumblock (36), welcher mit einer Keramikaufschlämmung imprägniert wird, indem dass der Kunststoffschaumblock mit Keramikaufschlämmung getränkt und von der überflüssigen Keramikaufschlämmung derart befreit wird, dass das Netzwerk, welches den offenporigen Schaumblock darstellt, mit Keramikaufschlämmung vollständig bedeckt ist und man den so imprägnierten Schaumblock einer Wärmebehandlung unterwirft, wobei die Anmachflüssigkeit der Keramikaufschlämmung verschwindet, sich die Keramik zunehmend verfestigt, die Bestandteile des Kunststoffes verschwinden,
die Keramik sich chemisch und/oder physikalisch verfestigt und gegebenenfalls die Keramik bis zur Sintertemperatur erhitzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kunststoff-Schaumschicht (28, 38, 44, 46) imprägniert, unter Ausbildung eines porösen Keramikkörpers mit zwischen zwei Lagen angeordneten Strömungskanälen (14, 20) und Hohlräumen (52) zu einem Kunstoff-Schaumblock (36) gefügt und der Wärmebehandlung unterworfen wird.
Gemäss einer ersten bevorzugten Fortbildung oben beschriebenen Verfahrens wird ein Kunststoff-Schaumband (28) mit Keramikaufschlämmung imprägniert, unter Ausbildung eines porösen Körpers mit zwischen den Bandwicklungen liegenden Strömungskanälen (14, 20) und Hohlräumen (52) zu einem spiralförmigen Kunststoff-Schaumblock (36) aufgewickelt und der Wärmebehandlung unterworfen.
Eine zweite bevorzugte Fortbildung des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von porösen Keramikkörpern ist dadurch gekennzeichnet, dass scheibenförmige Kunststoff-Schaumschichten (38, 44, 46), welche eine erste Serie von Scheiben (38) mit Löchern und/oder Schlitzen (40, 42, 52 min ), eine zweite Serie von Scheiben (44) mit alternierend je einem Teil der Löcher und/oder Schlitze (40, 42), und eine dritte Serie von Scheiben (46) mit einem anderen Teil der Löcher und/oder Schlitze (40, 42) der ersten Serie von Scheiben (38) umfassen, zu einem Kunststoff-Schaumblock (36) gefügt werden, indem wenigstens eine Scheibe (38) der ersten Serie mit einer Scheibe (44) der zweiten Serie einends und einer Scheibe (46) der dritten Serie andernends so zusammengefügt werden, dass sich von einer Stirnseite (12, 16) des Schaumkörpers (36) bis in den Bereich der andern Stirnseite (16,
12) erstreckende blinde Aussparungen (14, 20) und Hohlräume (52) entstehen, wobei das Imprägnieren vorzugsweise vor dem Zusammenfügen der Kunststoff-Schaumscheiben (38, 44, 46) erfolgt, und der zusammengefügte Körper einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Zur Herstellung von porösen Keramikkörpern, beispielsweise wie in Fig. 7 bis 10 dargestellt, muss das vorstehend erläuterte Verfahren sinngemäss angepasst werden.
Statt einer Serie von Scheiben (38) mit Löchern und/oder Schlitzen (40, 42, 52 min ) müssen eine Serie von Scheiben (38) mit gegenseitig verschiedenen Anordnungen von Löchern und/oder Schlitzen (40, 42, 52 min ) gefügt werden.
In den Fig. 7 bis 10 sind Schnitte S eingezeichnet, welche die ursprüngliche Anordnung der scheibenförmigen Kunststoff-Schaumschichten (38, 44, 46) andeuten und wie die Scheiben gefügt und zu einem festen Körper gebrannt wurden.
Es wird deutlich, dass Scheiben (38, 44, 46) mit verschiedenen Lochmustern vorbereitet und durch gezieltes Stapeln der Scheiben Anordnungen von Einlass- und Auslasskanälen und Hohlräumen geschaffen werden können.
Besonders geeignet ist das Verfahren zur Herstellung von porösen Keramikkörpern, wie in Fig. 9 dargestellt, worin die Querschnitte der Einlass- und Auslasskanäle und der Hohlräume gestuft sind. Derartige poröse Keramikkörper werden ganz besonders bevorzugt.
Die Ausführungsformen sind nicht durch die Abbildungen beschränkt, sondern es können, entsprechend den vorstehend angegebenen Masszahlen, Keramikkörper mit wesentlich mehr Kanälen und Hohlräumen im Gesamtquerschnitt als gezeichnet und sich über die angegebenen Gesamtlängen erstreckend, hergestellt werden.
Weiterführende Angaben und Ausführungsformen können auch der Europäischen Patentanmeldung 0 412 930 entnommen werden.
Die Keramik oder das keramische Material der porösen keramischen Körper kann die an sich bekannten keramischen Materialien enthalten oder daraus bestehen. Beispiele geeigneter keramischer Werkstoffe sind Zirkon, Zirkonorthosilicat, Kaolin, Talcum, Zirkonsand, Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid, Kieselsäure, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxide, z.B. feinstteilige Aluminiumoxide, aktivierte Aluminiumoxide, Tonerde, z.B. gamma -Tonerde, Titanate, wie Aluminiumtitanat, Cordierit, Mullit, Petalit, Chromoxide, Titanoxid, Yttriumoxide, Magnesiumoxid und Mischungen davon.
Diese Werkstoffe können gegebenenfalls mit weiteren Stoffen, beispielsweise Sinterhilfsmitteln, wie Oxiden des Magnesiums, Zinks, Cers, Mangans, Titans, Chroms, Eisens, Kupfers oder Nickels, mit Werkstoffen, die während der Herstellung der keramischen Körper eine Bindephase ausbilden, wie Phosphorsäuren, Alkaliphosphaten, Aluminiumorthophosphaten, Tonen, Lehm, hydraulischen Bindemitteln, wie Zementen und weitere und rheologischen Hilfs mitteln, die beispielsweise den keramischen Schlickern eine Thixotropie verleihen, wie Kaolin, Bentonit, Methylcellulose und dergleichen, weiterverarbeitet werden.
Die keramischen Schlicker können aus genannten Werkstoffen mittels einer Anmachflüssigkeit, die beispielsweise Wasser, ein- oder mehrwertige Alkohole, wie Ethanol, Ethylenglykol oder andere Polyole, ferner Polyvinylalkohol oder Polyvinylacetat enthalten kann, angemacht werden. Bevorzugt als Hauptbestandteil der Anmachflüssigkeit ist Wasser.
Als Kunststoff-Schäume, beispielsweise in Form von Bändern, Blöcken oder Scheiben eignen sich eine Vielzahl von polymeren Schaumstoffen, insbesondere hochelastische, hydrophobe Materialien mit offenzelliger, schwammartiger Gerüststruktur, wie auf der Basis von Polyestern und Polyether aufgebaute Polyurethane, hochelastische oder kaltgehärtete Urethane, bei deren Herstellung polymere Isocyanate eingesetzt worden sind, Polyvinylschaumstoffe, wie Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat, ferner Polyvinylschaumstoffe von verschiedenen Mischpolymerisaten, weiterhin mit Polyethylen oder Polysiloxanen oder deren Mischpolymerisaten beschichtete Polyurethane und auch Schaumstoffe, die aus geeigneten natürlichen Harzen, wie Cellulosederivaten, hergestellt worden sind.
Die Schaumstoffe müssen unterhalb der Brenntemperatur des keramischen Materials, mit dem sie imprägniert werden, verbrennen oder sich verflüchtigen. Die Abmessungen des Schaumstoffes müssen zweckmässig etwa den Abmessungen des gewünschten keramischen Gegenstandes entsprechen. Da die Porenzahl des Schaumstoffes annähernd etwa die Porenzahl des daraus entstehenden porösen Keramikkörpers diktieren, ist die Porenzahl des Schaumstoffes entsprechend beispielsweise bei 10 bis 120 ppi (Poren per Inch). Bevorzugt für Heissgasfilter werden 50 bis 120 ppi, für Katalysatorträger 10 bis 70 ppi. In der Regel ist während des Brennens der Keramikkörper mit einem Schwund zwischen 0 bis 30% und insbesondere 1 bis 5% zu rechnen, so dass sich die Porenzahl per Inch des Keramikkörpers um etwa diese Zahl gegenüber dem Kunststoffschaumblock erhöht.
In der Praxis werden die Kunststoff-Schaumblöcke mit dem keramischen Schlicker imprägniert, beispielsweise indem die Kunststoff-Schaumblöcke in den Schlicker eingetaucht werden, bis sich das ganze Netzwerk oder ein Teil davon mit dem Schlicker vollgesaugt hat. Es ist auch möglich den Schlicker auf den Schaumstoffblock aufzugiessen oder aufzusprühen.
Durch Schwerkraft, durch Druckbeaufschlagung einends und/oder durch Anlagen eines Vakuums andernends kann der Schlicker durch das Netzwerk hindurchgetrieben werden.
Zur gleichmässigen Verteilung des Schlickers im Netzwerk des Schaumkörpers kann es zweckmässig sein, dass der Schaumkörper beispielsweise durch Kneten oder Zusammenpressen und Ausdehnenlassen bearbeitet wird.
Der Schlicker, der zur vollständigen Bedeckung des Netzwerkes nicht benötigt wird, kann beispielsweise anschliessend durch Zentrifugieren, Ausblasen, Absaugen oder durch ein- oder mehrmaliges Durchführen des Schaumstoffes durch ein oder mehrere Walzenpaare entfernt werden.
Die nunmehr imprägnierten Schaumstoffblöcke werden beispielsweise einer Wärmebehandlung unterworfen, wobei sich bei beispielsweise 80-120 DEG C die Anmachflüssigkeit des keramischen Schlickers verflüchtigt und sich über dem Netzwerk und gestützt vom Netzwerk die keramische Beschichtung ausbildet. Durch weitere Erwärmung auf Temperaturen über beispielsweise 120 DEG C kann die keramische Beschichtung weiter verfestigt werden, während das Netzwerk des Schaumstoffblockes erweicht und schliesslich verdampft oder ab brennt. Das zurückbleibende Netzwerk, nunmehr aus keramischem Material, kann durch weitere Temperaturerhöhungen auf z.B. 600 DEG C entsprechend der gewählten Keramik, bis hin zur gegenseitigen Versinterung der Keramikpartikel auf z.B. über 1200-1800 DEG C, bevorzugt 1200-1400 DEG C oder 1600-1800 DEG C je nach keramischem Material, erhitzt werden.
Besonders bevorzugt sind poröse Keramikkörper nach vorliegender Erfindung, deren Netzwerk aus Cordierit besteht oder Cordierit enthält, oder mittels eines Schlickers, der Kieselsäure, Aluminiumoxid und Magnesiumoxid enthielt und der imprägnierte Schaumstoffblock bis auf wenigstens 1300 DEG C und zweckmässig auf 1300-1400 DEG C, erhitzt wurde, hergestellt werden.
Die erfindungsgemäss hergestellten porösen Keramikkörper können zur Abscheidung von Feststoffen aus Abgasströmen verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung der porösen Keramikkörper nach der Erfindung als Heissgasfilter und dabei besonders als Abscheider von kohlenstoffhaltigen Partikeln, insbesondere Russ, aus dem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Verbrennungsmotoren mit Eigenzündung, wie z.B. nach dem Dieselprinzip.
Als Schichtkörper hergestellte Kunststoff-Schaumblöcke eignen sich insbesondere zur Herstellung von Dieselrussfiltern für Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Lokomotiven, Schiffsantriebe und Stationärmotoren.
Eine weitere Verwendung der porösen Keramikkörper nach vorliegender Erfindung sind Katalysatorträger für Katalysatoren zur chemischen Umwandlung von gasförmigen Stoffen und Stoffgemischen.
Für diesen letzteren Verwendungszweck kann es vorteilhaft sein, das keramische Netzwerk, soweit dieses die zu katalysierende Wirkung nicht aufzuweisen vermag, in der Masse oder oberflächlich mit katalytisch aktiven Materialien zu versehen.
Dies können Beschichtungen auf der Keramik oder Anteile in der Keramikmasse an Platin, Gold, Silber, Rhodium, Palladium, Kupfer, Kupferoxid, Vandiumoxide, Eisen, Cobalt, Nickel oder Gemische davon sein. Auch organische Verbindungen sind für eine solche Anwendung möglich. In der Regel wird das katalytische aktive Material nach dessen Fertigstellung in den porösen Keramikkörper gebracht. Dies kann beispielsweise durch wenigstens einmaliges Eintauchen und Trocknen des Keramikkörpers in einer entsprechenden Lösung oder Suspension eines solchen Katalysatormaterials erfolgen.
Werden die porösen Keramikkörper z.B. als Filter für die Abscheidung von Russ aus Abgasen von Dieselmotoren verwendet, ergeben sich grosse Vorteile bezüglich eines geringen Druckverlustes, eines geringen Anstieges des Druckverlustes während der Beladung bei gleichzeitig grosser Speicherkapazität durch die tiefe Filtration. Diese Eigenschaften sind an sich schon den sogenannten Z-Filtern (Z-Filter, weil der Abgasstrom hauptsächlich Z-förmig fliesst) in gewissem Masse eigen, darüber hinaus gelingt es zusätzlich, die Filtrationseffizienz während starker dynamischer Motorzustände, wie z.B. beim Anfahren und Beschleunigung unter voller Last, zu verbessern. Die im Filter gesammelten Russpartikel werden insbesondere gleichmässig verteilt und das Netzwerk gleichmässig damit beladen.
Anhand nachfolgender Abbildungen wird vorliegende Erfindung näher veranschaulicht.
Die Erfindung wird abgesehen von der auch den Stand der Technik darstellenden Fig. 1 anhand der in den Zeichnungen dargestellten weiteren Beispiele, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- Fig. 2 die erfindungsgemässe Ausbildung der porösen Keramikkörper,
- Fig. 3 eine stark vergrösserte Teilansicht eines Keramikschaums,
- Fig. 4 ein Kunststoff-Schaumband mit ausgesparten Nuten,
- Fig. 5 einen Kunststoff-Schaumblock aus einem Band gemäss Fig. 4,
- Fig. 6 einen auseinandergezogenen Kunststoff-Schaumblock aus Kunststoff-Schaumscheiben,
- Fig. 7 bis 10 schematisch verschiedene zweckmässige Anordnungen von Hohlräumen und Strömungskanälen in Keramikkörpern nach der Erfindung, wobei Keramikkörper mit Anordnungen von gestuften Hohlräumen und Strömungskanälen gemäss Fig. 9 besonders bevorzugt sind.
Das Prinzip der Heissgasfiltration bzw. Katalyse mit einer offenporigen Schaumkeramik geht aus Fig. 1 hervor, welche in bezug auf die Vorrichtung den Stand der Technik darstellt. Das in Längsrichtung durch den keramischen Schaumkörper 10 fliessende Gas, durch Pfeile L dargestellt, tritt auf der Eingangs-Stirnseite 12 in längslaufende Strömungskanäle 14 ein, welche in Richtung der Ausgangs-Stirnseite 16 des keramischen Schaumkörpers 10 verschlossen sind.
Das in den Strömungskanälen 14 aufgebaute Druckpotential bewirkt, dass das Gas durch die offenporigen Zwischenwände 18 des keramischen Schaumkörpers in benachbarte, ebenfalls längslaufende Strömungskanäle 20 übertritt, welche in Richtung der Ausgangs-Stirnseite 16 offen, in Richtung der Eingangs-Stirnseite 12 dagegen geschlossen sind.
Anhand von punktierten Linien 22 wird der beispielsweise Weg von Gasmolekülen durch den keramischen Schaumkörper 10 gezeigt. Im weitaus überwiegenden Fall treten die Gasmoleküle von einem Strömungskanal 14 unter gesamthaft etwa vertikaler Ablenkung durch eine poröse Zwischenwand 18 in einen Strömungskanal 20, von wo sie abfliessen. Je nach dem Typ des Schaumkörpers werden beim Durchgang durch die poröse Zwischenwand 18 die Festbestandteile aus dem Gas entfernt oder eine katalytische Reaktion läuft ab.
Der Schaumkörpertyp gemäss Fig. 1 wird auch als Z-Flussfilter bezeichnet, wegen des vorwiegenden, im wesentlichen Z-förmigen Durchflusses der Gase durch die offenporige Keramikstruktur.
Abbildung 2 zeigt die erfindungsgemässe Ausbildung der porösen Keramikkörper, wobei zwischen den Strömungskanälen (14, 20) Hohlräume 52 angeordnet sind und entsprechend das fliessende Gas durch die Hohlräume 52 treten muss, wie beispielhaft anhand der punktierten Linie 22 angedeutet.
Der in Fig. 3 stark vergrössert dargestellte Schaumkörper aus Keramik zeigt die dreidimensionale Netzstruktur mit einem keramischen Gerippe 24, welches offene Poren 26 bildet. Die Porenzahl pro Längeneinheit wird so gewählt, dass für die betreffende Anwendung ein optimales Gleichgewicht in bezug auf Druckverlust und Wirkungsgrad besteht. Beim Durchströmen eines verunreinigten Gases bleiben die Festkörperpartikel haften, z.B. Dieselruss.
Die keramische Schaumkörperstruktur gemäss Fig. 2 hat eine sehr grosse wirksame Oberfläche, was das keramische Gerippe 24 auch als optimalen Katalysatorträger anbietet.
Der in Fig. 4 dargestellte, bandförmig ausgebildete Kunststoffschaum 28 ist z.B. etwa 40 mm dick. An der einen Bandoberfläche 30 sind im Querschnitt halbkreisförmige Nuten 32 und 32 min ausgespart, welche jeweils um den Abstand a weniger lang sind als das Kunststoffband 28 hoch. Die Nuten 32 sind alternierend nach einer schmalen Längsseite 34 offen resp. beidseitig geschlossen 32 min . Sowohl der Durchmesser der Nuten 32 und 32 min als auch der gegenseitige Abstand d der Nuten beträgt etwa 10 mm.
Fig. 5 zeigt ein zu einem grossformatigen Kunststoff-Schaumblock 36 spiralförmig aufgewickeltes Kunststoff-Schaumband 28, wobei die ausgesparten Nuten 32 und 32 min auf der Innenseite des Kunststoff-Schaumbandes 28 liegen. Mit der Aussenfläche der nächst inneren Spiralwicklung bilden sie einen längslaufenden Strömungskanal. Es ist nur jede vierte, einen Längskanal bildende Nut 32 sichtbar, die anderen sind auf dieser Seite verschlossen, resp. die Hohlräume sind beidseitig verschlossen.
Funktionell entspricht der aus dem Kunststoff-Schaumblock 36 hergestellte Schaumkörper 10 aus Keramik einem homogenen, ausgeschäumten Schaumstoff mit mechanisch ausgebohrten Aussparungen.
Fig. 6 zeigt einen auseinandergezogenen scheibenförmig ausgebildeten Kunststoffschaum, der zu einem grossformatigen Kunststoff-Schaumblock 36 zusammengesetzt wird. Einfachheitshalber sind nur wenige Bohrungen durch die Kunststoff-Schaumscheiben gezeichnet, damit das Prinzip besser erkannt werden kann. In Wirklichkeit enthalten die Scheiben eines grossformatigen Kunststoff-Schaumblocks mehrere Dutzend Bohrungen.
Mehrere Kunststoff-Schaumscheiben 38 mit einer zentralen Bohrung 40 und je vier peripheren Bohrungen 42 und 52 min sind so aufeinander angeordnet, dass die Bohrungen einen durchgehenden Strömungskanal bilden. Einends ist eine Kunststoff-Schaumscheibe 44 mit lediglich einer zentralen Bohrung 42, andernends eine Kunststoff-Schaumscheibe 46 mit vier peripheren Bohrungen 40 vorgesehen. Die Bohrungen der beiden endständigen Kunststoff-Schaumscheiben 44, 46 passen beim Zusammenfügen jeweils auf die entsprechenden Bohrungen der Kunststoff-Schaumscheiben 38.
Bei zusammengefügten Kunststoff-Schaumscheiben 38, 44, 46 ist eine zentrale Bohrung 42 von oben offen und unten geschlossen, vier periphere Bohrungen 40 dagegen sind von unten offen und oben geschlossen, während die anderen peripheren Bohrungen 52 min unten und oben geschlossen sind und die Hohlräume bilden. So kann ein grossformatiger Schaumkörper aus Keramik hergestellt werden, welcher im Verhältnis zur Länge sehr dünne Strömungskanäle haben kann. Dank des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, die Kunststoff-Schaumscheiben 38, 42, 44 verhältnismässig dick auszubilden, was vor allem bei den innenliegenden Scheiben 38 wichtig ist.
Fig. 7 bis 10 zeigen zweckmässige Anordnungen von Hohlräumen 52 und Strömungskanälen 14, 20, wobei gemäss Fig. 7 die Strömungskanäle 14, 20, die einendig offen und andernends geschlossen sind, auf einer Längsachse liegen können oder gemäss Fig. 8 jeweils ein einendig offener Kanal 14, 20 mit einem Hohlraum 52 auf einer Achse liegt.
In den Fig. 9 und 10 sind Strömungskanäle 14, 20 abgebildet, die gleichmässig resp. stufenweise verengend resp. ausweitend gestaltet sind. Die Hohlräume 52 sind entsprechend zuerst sich ausweitend, dann wieder verengend gestaltet, dies kann entsprechend gleichmässig oder stufenweise erfolgen. Mit dieser Anordnung ist die Wandstärke der Zwischenwände in etwa über den ganzen Keramikkörper gleich stark.
Beispielsweise können sich die Querschnitte der Strömungskanäle von beispielsweise 50 auf 5 mm oder bevorzugt von 15 auf 6 mm gleichförmig oder stufenweise verengen resp. von 5 auf 50 mm, bevorzugt von 6 auf 15 mm ausweiten, während sich die Querschnitte der Hohlräume beispielsweise von 5 auf 50 und zurück auf 5 mm, bevorzugt von 6 auf 15 und zurück auf 6 mm gleichförmig oder stufenweise ausweiten resp. verengen.
Die Stufung kann z.B. im 1-, 2- oder bevorzugt im 3-mm-Intervall erfolgen.
Typische Stufungen sind z.B. 15, 12, 9, 6 mm und 6, 9, 12, 15 mm oder 12, 9, 6 mm und 6, 9, 12 mm für die Strömungskanäle und 6, 9, 12, 15, 12, 9, 6 mm oder 6, 9, 12, 9, 6 mm für die Hohlräume.
Die Pfeile L in den Fig. 7-10 zeigen schematisch das im wesentlichen in Längsrichtung durch den keramischen Schaumkörper fliessende Gas.
Die Fig. 7 bis 10 sind jeweils als schematische Darstellungen oder als Ausschnitte aus Körpern, wie sie in der Praxis angewendet werden, anzusehen. Die Anzahl der Bohrungen und Hohlräume wird in der Praxis ein Mehrfaches des Abgebildeten sein, so wie auch die Gesamtlänge sich über die weiter oben angegebenen Masszahlen erstrecken kann.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiter.
Beispiel 1
Ein poröser Keramikkörper wird gemäss dem vorstehend beschriebenen Verfahren, wonach scheibenförmige Schaumschichten gestapelt werden, ausgehend von einem Polyurethanschaum und einem cordierithaltigen Schlicker hergestellt. Es resultiert ein Cordierit-Keramikschaumkörper mit 75 Poren per Inch, mit der Struktur wie in Fig. 7 schematisch dargestellt. Der Durchmesser des Körpers beträgt 144 mm, die Länge 152 mm.
Auf der Eingangsseite der Ausgangsseite sind je 25 Strömungskanäle mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Länge von 64 mm vorhanden, dazwischen sind 12 Hohlräume mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 102 mm. Die Wandstärke zwischen den Hohlräumen ist 12 mm.
Beispiel 2
Ein weiterer poröser Keramikkörper aus Cordierit, auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, hat die Struktur wie in Fig. 9 dargestellt. Der Körper hat einen Durchmesser von 144 mm und eine Länge von 152 mm, die Porenzahl beträgt 75 ppi.
Die Eingangsseite und die Ausgangsseite haben je 25 Strömungskanäle mit 64 mm Länge mit stufenförmigen Verengungen mit dem Durchmesser 12, 9 und 6 mm, resp. 6, 9 und 12 mm. Dazwischen sind 12 Hohlräume angeordnet mit 102 mm Länge mit den gestuften Durchmessern 6, 9, 12, 9, 6 mm. Die Wandstärke zwischen den Löchern beträgt 12 mm.
Beispiel 3
Es wird ein Keramikkörper aus Cordierit hergestellt, dessen Abmessungen, Strömungskanäle und Hohlräume dem Körper gemäss Beispiel 2 entsprechen. Die Porengrösse beträgt jedoch 100 ppi.
Beispiel 4
Die Tabelle zeigt die mit den porösen Keramikkörpern erzielten Ergebnisse. Gemessen wurde der Druckverlust in mbar bei einem Luftdurchgang von 200 Nm<3>/h, sowohl bei leerem als auch mit jeweils 10 g Russ beladenem Filter.
Weiter wurde die Filtrationseffizienz nach dem FTP 75-(Federal Testing Procedure 75) Strassentestzyklus bestimmt, bei welchem sowohl unter Stadt- wie Überlandbedingungen gefahren wurde.
<tb><TABLE> Columns=4
<tb>Title: Tabelle
<tb>Head Col 01 AL=L: Keramikkörper aus Beispiel
<tb>Head Col 02 AL=L: Filtrationseffizienz
(%)
<tb>Head Col 03 to 04 AL=L: Druckverlust (kPa) für 200 Nm<3>/h
<tb>SubHead Col 03 AL=L>leerer Filter:
<tb>SubHead Col 04 AL=L>Filter mit 10 g Russ beladen:
<tb> <SEP>1 <SEP>70 <SEP>2,0 <SEP>6, 1
<tb> <SEP>2 <SEP>75 <SEP>1,4 <SEP>5,6
<tb> <SEP>3 <SEP>81 <SEP>1,6 <SEP>6,6
<tb></TABLE>
The invention relates to a porous ceramic body, the production of such a ceramic body and the use of the same. Open-pore foam bodies with a three-dimensional, ceramic network structure are known, which are used, for example, as filters for hot gas treatment or as catalyst supports.
Such open-pore foam bodies or porous ceramic bodies are available, for example, starting from a soft, open-pore plastic foam block which is impregnated with a ceramic slip in such a way that the three-dimensional, ceramic network of the plastic foam block is completely covered with ceramic slip. The impregnated plastic foam block is subjected to a heat treatment, whereby the mixing liquid of the slip disappears, the ceramic components solidify to such an extent that the structure, now made of ceramic material, solidifies to such an extent that it becomes self-supporting, the plastic foam volatilizes and, through chemical or physical bonding, the ceramic network structure further solidified.
Such methods are known, for example, from DE 2 613 023, DE 2 661 118, DE 2 932 614, DE 2 942 042, DE 3 040 754 or DE 3 424 504.
With known hot gas or Catalyst treatments have proven to be advantageous in producing filter ceramics in the form of cylindrical, stable blocks. Such blocks are provided with bores which are open at the front and rear alternately with respect to the direction of movement of the gas and which have a high inner surface which ensures sufficient flow-through of the filter ceramic. Such ceramic structures are known for example from EP-B 0 206 250 or EP-B 0 192 158.
The principle of hot gas filtration or Catalysis with an open-pore foam ceramic is shown in Fig. 1, which represents the prior art with respect to the device. The gas flowing in the longitudinal direction through the ceramic foam body 10, represented by arrows L, enters on the input end face 12 into longitudinal flow channels 14, which are closed in the direction of the output end face 16 of the ceramic foam body 10.
The pressure potential built up in the flow channels 14 causes the gas to pass through the open-pore intermediate walls 18 of the ceramic foam body into adjacent, likewise longitudinal flow channels 20, which are open in the direction of the outlet end face 16 and closed in the direction of the inlet end face 12.
The path of gas molecules through the ceramic foam body 10 is shown by way of example using dotted lines 22. In the vast majority of cases, the gas molecules pass from a flow channel 14 with a generally approximately vertical deflection through a porous intermediate wall 18 into a flow channel 20, from where they flow away. Depending on the type of foam body, the solid constituents are removed from the gas during the passage through the porous intermediate wall 18 or a catalytic reaction takes place. In the case of catalysis, the open-pore foam ceramic can consist of catalytically active material, at least partially contain catalytically active material or be at least partially covered on the inner surface.
It has been shown in practice that the solutions achieved so far do not do justice to all problems. For example, when filtering exhaust gases and in particular solid particles such as carbon and soot from the exhaust gases of diesel engines, it was found that the inlet channels are loaded very unevenly. The particles first settle at the end of the inlet channels. The efficiency of such filters now suffers from this uneven loading of solid particles, particularly in the case of, for example, dynamic engine conditions under heavy load, such as starting or accelerating.
The object of the present invention is to provide a ceramic body which, when subjected to a gas, is characterized by multiple steering and, for example, multiple filtration for uniform gas distribution and gas flow velocities and, if appropriate, uniformity in solid particle deposition through the filter volume, but without a higher pressure loss of the gas to have to accept through the ceramic body.
According to the invention, this is achieved by a porous ceramic body which has an inlet and an outlet end which has a plurality of substantially parallel flow channels which are separated from one another by porous intermediate walls, part of the flow channels being open at the inlet end and closed towards the outlet end are to form inlet openings and a part of the flow channels are closed towards the inlet end and are open at the outlet end to form outlet openings, and wherein the inlet and outlet channels are mutually arranged such that a fluid flow entering the inlet channels through the porous Intermediate walls can pass through into the outlet channels, characterized in that the ceramic body has at least one cavity completely surrounded by porous intermediate walls, which is between the flow channels,
which are open at the inlet end and the flow channels which are open at the outlet end.
In an expedient embodiment, the porous ceramic body, as described above, contains a plurality of cavities. Porous ceramic bodies, as described above, in which the cavities represent flow channels which correspond in shape to the cross section and in the dimension of the cross section to the flow channels open at the inlet end and at the outlet end are particularly expedient.
Porous ceramic bodies are preferred, as described, the ceramic body having a number of flow channels which are open at the inlet end and the same number of flow channels which are open at the outlet end and the number of cavities corresponds approximately to this number.
Porous ceramic bodies, as described, are further preferred, the flow channels which are open at the inlet end and closed at the outlet end extending from one end face into the region of the other end face and the flow channels which are closed at the inlet end and open at the outlet end extend from the region of one end face to the other end face and that the cavity or cavities extend from the region of one end face to the area of the other end face.
In the porous ceramic bodies, parallel flow channels are preferably formed, which alternately extend from one end of the body to the area of the other end. The depth of the flow channels is preferably at least five times the value of their smallest cross-sectional dimension or the diameter of a hole. The end of the channels expediently has a distance from the adjacent end face which corresponds at least to the mutual distance between the channels. This prevents a significant part of the gas L min from escaping directly through the outlet end face of the ceramic foam body formed (for example in FIG. 1 shown).
In a further expedient embodiment according to the present invention, the porous ceramic bodies are characterized in that the flow channels, which are open at the inlet end and closed towards the outlet end, only extend over a part of the length of the ceramic body, and / or the flow channels, against the Inlet ends are closed and open ends are only part of the length of the ceramic body.
In this latter embodiment, porous ceramic bodies are preferred, which are characterized in that the flow channels which are open at the inlet end and closed towards the outlet end and the flow channels which are closed at the inlet end and open at the outlet end are less than half extend the length of the ceramic body.
In a particularly preferred embodiment of the porous ceramic body according to the present invention, the flow channels, which are open at the inlet end and closed towards the outlet end, each have at least one cavity and / or each have a flow channel which is closed towards the inlet end and open at the outlet end, preferably with the same longitudinal axis, in alignment.
In another particularly preferred embodiment of the porous ceramic body according to the present invention, the flow channels, which are open at the inlet end and closed towards the outlet end, each have a flow channel which is closed towards the inlet end and open at the outlet end, preferably with the same longitudinal axis an escape, and the cavity or cavities have the shape of a bore, which is arranged parallel and laterally offset to the flow channels.
The designs of the flow channels or bores and cavities are common to all embodiments of the present porous ceramic bodies. The flow channels or bores and the cavities can, for example, have a round or angular cross section, with all geometric shapes, such as. B. circular, semicircular, elliptical, triangular to twelve-sided, rectangular and square are conceivable.
The channel walls or bore walls and the walls of the cavities can be straight or narrowed or get lost. Other exemplary shapes for cavities are those which, independently of one another, expand continuously or in stages in the direction of flow of the gas and narrow again in about half of their length. Exemplary shapes of channels that are open at the inlet end and closed in the area of the outlet end have a shape that narrows in the gas flow direction, while channels that are closed in the area of the inlet end and open at the outlet end have an expanding shape in the gas flow direction. Flow channels and cavities in the form of bores which have a round, triangular or square cross section and whose walls run parallel to the longitudinal axis of the porous ceramic body are preferred.
The linear cross-sectional dimensions of a flow channel are, for example, 5-50 mm.
The mutual distances between the parallel flow channels and cavities are expediently in the range of 10-150 mm, preferably for hot gas filters at 10-30 mm and for catalyst supports at 10-150 mm. The distance of the end of a channel from the adjacent end face or the two ends of a cavity from the end faces is 10-50 mm, in particular 20-30 mm. In other words, a channel is 10-50 mm, preferably 20-30 mm, shorter than the total length of the corresponding ceramic body. In practice, both the mutual distances between the channels and the distances from their end to the adjacent end wall of the ceramic body are approximately the same.
If the entire cross section of the ceramic bodies according to the invention is considered, the flow channels and cavities are expediently distributed in a square or hexagonal manner. The porous ceramic bodies according to the present invention have, for example, the external dimensions of 100-600 mm in length, expediently as a hot gas filter of 100-400 mm in length, as catalyst supports of expediently 150-600 mm in length and in all cases preferably of 150-400 mm in length, further from 80-400 mm diameter or edge length, as hot gas filter expediently from 80-350 mm or as catalyst support expediently from 100-400 mm diameter or edge length, and in all cases a diameter or edge length of 100 to 350 mm is preferred.
The number of pores per inch (ppi) of the ceramic foam structure is, for example, 10-120 ppi, expedient for hot gas filters at 50-120 ppi and for catalysts 10-70 ppi. A pore number of 65-100 ppi is preferred for hot gas filters.
The diameter or the edge length of the cavities, which are preferably designed as bores with a round, triangular or square cross section, is, for example, 5-50 mm, preferably for hot gas filters 5-15 mm and particularly preferably 6-15 mm and for catalyst supports 5-25 mm and particularly preferably 6 -15 mm.
The porous ceramic filters according to the present invention described are available in various ways.
An expedient method for producing a porous ceramic body (10) according to the present invention with a three-dimensional ceramic network structure (24), starting from a soft, open-pore plastic foam block (36) which is impregnated with a ceramic slurry by impregnating the plastic foam block with ceramic slurry and is freed from the unnecessary ceramic slurry in such a way that the network, which is the open-pore foam block, is completely covered with ceramic slurry and the foam block impregnated in this way is subjected to a heat treatment, whereby the mixing liquid of the ceramic slurry disappears, the ceramic increasingly solidifies, the components of the plastic disappear,
the ceramic solidifies chemically and / or physically and, if necessary, the ceramic is heated up to the sintering temperature, is characterized in that at least one plastic foam layer (28, 38, 44, 46) is impregnated, forming a porous ceramic body with two layers arranged between it Flow channels (14, 20) and cavities (52) are joined to form a plastic foam block (36) and are subjected to the heat treatment.
According to a first preferred development of the method described above, a plastic foam tape (28) is impregnated with ceramic slurry, forming a porous body with flow channels (14, 20) and cavities (52) between the tape windings to form a spiral plastic foam block (36) wound up and subjected to the heat treatment.
A second preferred development of the above-described method for producing porous ceramic bodies is characterized in that disk-shaped plastic foam layers (38, 44, 46) which comprise a first series of disks (38) with holes and / or slots (40, 42, 52 min), a second series of disks (44) with alternating parts of the holes and / or slots (40, 42), and a third series of disks (46) with another part of the holes and / or slots (40 , 42) of the first series of disks (38), are joined to a plastic foam block (36) by at least one disk (38) of the first series with a disk (44) of the second series on one end and a disk (46) of the third series are joined together in such a way that from one end face (12, 16) of the foam body (36) to the area of the other end face (16,
12) extending blind recesses (14, 20) and cavities (52) are formed, the impregnation preferably being carried out before the plastic foam disks (38, 44, 46) are joined together, and the joined body is subjected to a heat treatment.
For the production of porous ceramic bodies, for example as in Fig. 7 to 10, the method explained above must be adapted accordingly.
Instead of a series of disks (38) with holes and / or slots (40, 42, 52 min), a series of disks (38) with mutually different arrangements of holes and / or slots (40, 42, 52 min) must be joined .
In the Fig. Sections 7 to 10 are drawn in, which indicate the original arrangement of the disk-shaped plastic foam layers (38, 44, 46) and how the disks were joined and fired to form a solid body.
It becomes clear that disks (38, 44, 46) with different hole patterns can be prepared and arrangements of inlet and outlet channels and cavities can be created by deliberately stacking the disks.
The method is particularly suitable for producing porous ceramic bodies, as shown in FIG. 9, wherein the cross sections of the inlet and outlet channels and the cavities are stepped. Such porous ceramic bodies are very particularly preferred.
The embodiments are not limited by the figures, but ceramic bodies with significantly more channels and cavities in the overall cross-section than drawn and extending over the stated overall lengths can be produced in accordance with the dimensions given above.
Further information and embodiments can also be found in European patent application 0 412 930.
The ceramic or the ceramic material of the porous ceramic body can contain or consist of the ceramic materials known per se. Examples of suitable ceramic materials are zirconium, zirconium orthosilicate, kaolin, talcum, zircon sand, zirconium dioxide, silicon dioxide, silica, silicon carbide, silicon nitride, aluminum oxides, e.g. B. very finely divided aluminum oxides, activated aluminum oxides, alumina, e.g. B. gamma-alumina, titanates such as aluminum titanate, cordierite, mullite, petalite, chromium oxides, titanium oxide, yttrium oxides, magnesium oxide and mixtures thereof.
These materials can optionally with other materials, for example sintering aids, such as oxides of magnesium, zinc, cerium, manganese, titanium, chromium, iron, copper or nickel, with materials that form a binding phase during the production of the ceramic body, such as phosphoric acids, alkali metal phosphates , Aluminum orthophosphates, clays, loam, hydraulic binders, such as cements and other rheological aids, which, for example, give the ceramic slips a thixotropy, such as kaolin, bentonite, methyl cellulose and the like, are further processed.
The ceramic slips can be mixed from the materials mentioned using a mixing liquid, which can contain, for example, water, monohydric or polyhydric alcohols, such as ethanol, ethylene glycol or other polyols, and also polyvinyl alcohol or polyvinyl acetate. Water is preferred as the main constituent of the mixing liquid.
A large number of polymeric foams are suitable as plastic foams, for example in the form of tapes, blocks or disks, in particular highly elastic, hydrophobic materials with an open-cell, sponge-like structure, such as polyurethanes based on polyesters and polyethers, highly elastic or cold-hardened urethanes whose production has been used polymeric isocyanates, polyvinyl foams, such as polyvinyl chloride and polyvinyl acetate, also polyvinyl foams from various copolymers, furthermore polyurethanes coated with polyethylene or polysiloxanes or their copolymers, and also foams which have been produced from suitable natural resins, such as cellulose derivatives.
The foams must burn or evaporate below the firing temperature of the ceramic material with which they are impregnated. The dimensions of the foam must suitably correspond approximately to the dimensions of the desired ceramic object. Since the pore number of the foam approximately dictates the pore number of the resulting porous ceramic body, the pore number of the foam is correspondingly, for example, from 10 to 120 ppi (pores per inch). 50 to 120 ppi are preferred for hot gas filters and 10 to 70 ppi for catalyst supports. As a rule, a shrinkage of between 0 to 30% and in particular 1 to 5% is to be expected during the firing of the ceramic body, so that the number of pores per inch of the ceramic body increases by approximately this number compared to the plastic foam block.
In practice, the plastic foam blocks are impregnated with the ceramic slurry, for example by immersing the plastic foam blocks in the slurry until all or part of the network is saturated with the slurry. It is also possible to pour or spray the slip onto the foam block.
The slip can be driven through the network by gravity, by pressurization at one end and / or by applying a vacuum at the other end.
To evenly distribute the slip in the network of the foam body, it can be expedient for the foam body to be processed, for example, by kneading or pressing together and allowing it to expand.
The slip, which is not required to completely cover the network, can subsequently be removed, for example, by centrifuging, blowing out, suctioning or by carrying out the foam one or more times through one or more pairs of rollers.
The now impregnated foam blocks are subjected, for example, to a heat treatment, the mixing liquid of the ceramic slip evaporating at, for example, 80-120 ° C. and the ceramic coating being formed over the network and supported by the network. The ceramic coating can be further solidified by further heating to temperatures above, for example, 120 ° C., while the network of the foam block softens and finally evaporates or burns off. The remaining network, now made of ceramic material, can be increased by e.g. B. 600 ° C according to the selected ceramic, up to the mutual sintering of the ceramic particles on z. B. over 1200-1800 DEG C, preferably 1200-1400 DEG C or 1600-1800 DEG C depending on the ceramic material.
Particularly preferred are porous ceramic bodies according to the present invention, the network of which consists of cordierite or contains cordierite, or by means of a slip which contains silica, aluminum oxide and magnesium oxide and which heats the impregnated foam block to at least 1300 ° C. and expediently to 1300-1400 ° C. was manufactured.
The porous ceramic bodies produced according to the invention can be used for the separation of solids from exhaust gas streams. Particularly preferred is the use of the porous ceramic body according to the invention as a hot gas filter and particularly as a separator of carbon-containing particles, in particular soot, from the exhaust gas flow from internal combustion engines, in particular internal combustion engines, such as. B. according to the diesel principle.
Plastic foam blocks produced as laminates are particularly suitable for the production of diesel soot filters for passenger cars, trucks, buses, locomotives, ship drives and stationary engines.
Another use of the porous ceramic bodies according to the present invention are catalyst supports for catalysts for the chemical conversion of gaseous substances and mixtures of substances.
For this latter purpose, it may be advantageous to provide the ceramic network with catalytically active materials in bulk or on the surface, insofar as it cannot have the effect to be catalyzed.
These can be coatings on the ceramic or proportions in the ceramic mass of platinum, gold, silver, rhodium, palladium, copper, copper oxide, vandium oxide, iron, cobalt, nickel or mixtures thereof. Organic compounds are also possible for such an application. As a rule, the catalytic active material is brought into the porous ceramic body after its completion. This can be done, for example, by immersing and drying the ceramic body in an appropriate solution or suspension of such a catalyst material at least once.
If the porous ceramic body z. B. Used as a filter for the separation of soot from exhaust gases from diesel engines, there are great advantages in terms of a low pressure loss, a small increase in pressure loss during loading and at the same time a large storage capacity due to the deep filtration. These properties are inherent to a certain extent in the so-called Z filters (Z filters, because the exhaust gas flow mainly flows in a Z-shape). In addition, it is also possible to improve the filtration efficiency during strong dynamic engine conditions, e.g. B. when starting off and accelerating under full load. The soot particles collected in the filter are in particular evenly distributed and evenly loaded on the network.
The present invention is illustrated in more detail with reference to the following figures.
The invention is apart from the also the prior art Fig. 1 with reference to the further examples shown in the drawings, which are also the subject of dependent claims. They show schematically:
- Fig. 2 the inventive design of the porous ceramic body,
- Fig. 3 shows a greatly enlarged partial view of a ceramic foam,
- Fig. 4 a plastic foam tape with recessed grooves,
- Fig. 5 a plastic foam block from a band according to FIG. 4,
- Fig. 6 an exploded plastic foam block made of plastic foam disks,
- Fig. 7 to 10 schematically different expedient arrangements of cavities and flow channels in ceramic bodies according to the invention, ceramic bodies with arrangements of stepped cavities and flow channels according to FIG. 9 are particularly preferred.
The principle of hot gas filtration or Catalysis with an open-pore foam ceramic is shown in Fig. 1, which represents the prior art with respect to the device. The gas flowing in the longitudinal direction through the ceramic foam body 10, represented by arrows L, enters on the inlet end face 12 into longitudinal flow channels 14 which are closed in the direction of the outlet end face 16 of the ceramic foam body 10.
The pressure potential built up in the flow channels 14 causes the gas to pass through the open-pore intermediate walls 18 of the ceramic foam body into adjacent, also longitudinally running flow channels 20, which are open in the direction of the outlet end face 16 and closed in the direction of the inlet end face 12.
The path of gas molecules, for example, through the ceramic foam body 10 is shown with dotted lines 22. In the vast majority of cases, the gas molecules pass from a flow channel 14 with a generally approximately vertical deflection through a porous intermediate wall 18 into a flow channel 20, from where they flow away. Depending on the type of foam body, the solid constituents are removed from the gas during the passage through the porous intermediate wall 18 or a catalytic reaction takes place.
The foam body type according to Fig. 1 is also referred to as a Z-flow filter because of the predominant, essentially Z-shaped flow of the gases through the open-pore ceramic structure.
Figure 2 shows the inventive design of the porous ceramic body, wherein cavities 52 are arranged between the flow channels (14, 20) and accordingly the flowing gas must pass through the cavities 52, as indicated by the dotted line 22 as an example.
The in Fig. 3 ceramic foam body, shown in greatly enlarged form, shows the three-dimensional network structure with a ceramic framework 24, which forms open pores 26. The number of pores per unit length is selected so that there is an optimal balance in terms of pressure loss and efficiency for the application in question. When a contaminated gas flows through, the solid particles adhere, e.g. B. Diesel soot.
The ceramic foam body structure according to Fig. 2 has a very large effective surface, which the ceramic framework 24 also offers as an optimal catalyst carrier.
The in Fig. 4 shown, band-shaped plastic foam 28 is such. B. about 40 mm thick. On one band surface 30 there are recessed semicircular grooves 32 and 32 min in cross section, each of which is less long than the plastic band 28 by the distance a. The grooves 32 are alternately open after a narrow longitudinal side 34. closed on both sides 32 min. Both the diameter of the grooves 32 and 32 min and the mutual spacing d of the grooves is approximately 10 mm.
Fig. 5 shows a plastic foam tape 28 wound up spirally to form a large-sized plastic foam block 36, the recessed grooves 32 and 32 min lying on the inside of the plastic foam tape 28. With the outer surface of the next inner spiral winding, they form a longitudinal flow channel. Only every fourth groove 32 forming a longitudinal channel is visible, the others are closed on this side, resp. the cavities are closed on both sides.
Functionally, the ceramic foam body 10 made from the plastic foam block 36 corresponds to a homogeneous, foamed foam with mechanically drilled out recesses.
Fig. 6 shows an exploded, disc-shaped plastic foam which is assembled to form a large-format plastic foam block 36. For the sake of simplicity, only a few holes are drawn through the plastic foam washers so that the principle can be better recognized. In reality, the panes of a large-sized plastic foam block contain several dozen holes.
A plurality of plastic foam disks 38 with a central bore 40 and four peripheral bores 42 and 52 min each are arranged one on top of the other in such a way that the bores form a continuous flow channel. At one end there is a plastic foam disc 44 with only one central bore 42, at the other a plastic foam disc 46 with four peripheral bores 40. The holes in the two terminal plastic foam disks 44, 46 each fit the corresponding holes in the plastic foam disks 38 when they are joined together.
When plastic foam disks 38, 44, 46 are joined together, a central bore 42 is open from the top and closed at the bottom, while four peripheral bores 40 are open from the bottom and closed at the top, while the other peripheral bores are closed at the top and bottom for 52 minutes and the cavities form. In this way, a large-sized foam body made of ceramic can be produced, which can have very thin flow channels in relation to the length. Thanks to the method according to the invention, it is possible to make the plastic foam disks 38, 42, 44 relatively thick, which is particularly important in the case of the inner disks 38.
Fig. 7 to 10 show expedient arrangements of cavities 52 and flow channels 14, 20, wherein according to FIG. 7 the flow channels 14, 20, which are open at one end and closed at the other, can lie on a longitudinal axis or according to FIG. 8 each have a single-ended channel 14, 20 with a cavity 52 on one axis.
In the Fig. 9 and 10 flow channels 14, 20 are shown, the uniform, respectively. gradually narrowing resp. are extensively designed. The cavities 52 are correspondingly designed to widen first, then narrow again, this can take place in a uniform or stepwise manner. With this arrangement, the wall thickness of the partition walls is approximately the same across the entire ceramic body.
For example, the cross sections of the flow channels can narrow or gradually, for example from 50 to 5 mm or preferably from 15 to 6 mm. expand from 5 to 50 mm, preferably from 6 to 15 mm, while the cross sections of the cavities, for example from 5 to 50 and back to 5 mm, preferably from 6 to 15 and back to 6 mm, expand uniformly or stepwise. narrow.
The grading can e.g. B. in 1, 2 or preferably 3 mm intervals.
Typical gradations are e.g. B. 15, 12, 9, 6 mm and 6, 9, 12, 15 mm or 12, 9, 6 mm and 6, 9, 12 mm for the flow channels and 6, 9, 12, 15, 12, 9, 6 mm or 6, 9, 12, 9, 6 mm for the cavities.
The arrows L in the Fig. 7-10 schematically show the gas flowing essentially in the longitudinal direction through the ceramic foam body.
The Fig. 7 to 10 are each to be regarded as schematic representations or as sections from bodies as are used in practice. In practice, the number of bores and cavities will be a multiple of what is shown, just as the total length can extend over the dimensions given above.
The following examples further illustrate the invention.
example 1
A porous ceramic body is produced from a polyurethane foam and a cordierite-containing slip in accordance with the method described above, according to which disk-shaped foam layers are stacked. The result is a cordierite ceramic foam body with 75 pores per inch, with the structure as in Fig. 7 is shown schematically. The diameter of the body is 144 mm, the length 152 mm.
On the inlet side of the outlet side there are 25 flow channels each with a diameter of 7 mm and a length of 64 mm, in between there are 12 cavities with a diameter of 6 mm and a length of 102 mm. The wall thickness between the cavities is 12 mm.
Example 2
Another porous ceramic body made of cordierite, produced in the same way as described in Example 1, has the structure as in Fig. 9 shown. The body has a diameter of 144 mm and a length of 152 mm, the number of pores is 75 ppi.
The input side and the output side each have 25 flow channels with a length of 64 mm with step-shaped constrictions with a diameter of 12, 9 and 6 mm, respectively. 6, 9 and 12 mm. In between there are 12 cavities with a length of 102 mm with the stepped diameters 6, 9, 12, 9, 6 mm. The wall thickness between the holes is 12 mm.
Example 3
A ceramic body made of cordierite is produced, the dimensions, flow channels and cavities of which correspond to the body according to Example 2. However, the pore size is 100 ppi.
Example 4
The table shows the results achieved with the porous ceramic bodies. The pressure loss was measured in mbar with an air passage of 200 Nm <3> / h, both when the filter is empty and the filter is loaded with 10 g soot.
Furthermore, the filtration efficiency was determined according to the FTP 75 (Federal Testing Procedure 75) road test cycle, which was carried out under both urban and rural conditions.
<tb> <TABLE> Columns = 4
<tb> Title: table
<tb> Head Col 01 AL = L: ceramic body from example
<tb> Head Col 02 AL = L: filtration efficiency
(%)
<tb> Head Col 03 to 04 AL = L: pressure loss (kPa) for 200 Nm <3> / h
<tb> SubHead Col 03 AL = L> empty filter:
<tb> SubHead Col 04 AL = L> Load filter with 10 g soot:
<tb> <SEP> 1 <SEP> 70 <SEP> 2.0 <SEP> 6, 1
<tb> <SEP> 2 <SEP> 75 <SEP> 1.4 <SEP> 5.6
<tb> <SEP> 3 <SEP> 81 <SEP> 1.6 <SEP> 6.6
<tb> </TABLE>