DE19730389A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der mindestens ein erstes Rohr zum Hindurchleiten eines ersten Fluids und mindestens ein zweites Rohr zum Hindurchleiten eines Wärme abführenden zweiten Fluids aufweist, wobei zumindest das erste Rohr, aus einem fluiddichten, korrosions- und oxidationsbeständigen Werkstoff, in einer aus mehreren einzelnen Teilelementen gebildeten Tragstruktur aus SiC-haltigem Werkstoff in einer Bohrung der Teilelemente gehalten ist.

Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der EP-A1 0 479 657 bekannt. Dieser Wärme­ tauscher ist aus einem Bündel erster Rohre, die auf Abstand zueinander mittels ei­ ner Tragstruktur gehalten werden, aufgebaut. Die Tragstruktur besteht aus einzel­ nen Platten. Durch die ersten Rohre wird ein erstes Fluid hindurchgeführt, das ge­ kühlt werden soll. Die gesamte Tragstruktur ist von einem zweiten Rohr, d. h. einem Hüllrohr, umgeben, das einen Zu- und Ablauf aufweist, über die ein zweites Fluid an den ersten Rohren vorbeigeführt wird, um die von den ersten Rohren abgegebene Wärme abzuführen. Die ersten Rohre sowie die Tragstruktur, die die ersten Rohre fixiert, bestehen aus Siliciumcarbid. Um die Tragstruktur mit den ersten Rohren auf­ zubauen, werden die Trageplatten zunächst als Grünkörper hergestellt mit entsprechenden Bohrungen, in die die ersten Rohre aus Siliciumcarbid eingesteckt werden sollen. Danach erfolgt eine Sinterung bei Temperaturen zwischen 1900 bis 2500°C, um die Trageplatten mit den ersten Rohren fest, d. h. unverrückbar, zu ver­ binden. Dadurch, daß die einzelnen ersten Rohre mit Abstand zueinander gehalten sind, können sie gut von allen Seiten von dem zweiten Fluid umströmt werden, um die Wärme abzuführen. Eine solche Anordnung bringt Probleme insbesondere dann mit sich, daß, falls ein einzelnes der ersten Rohre defekt ist, der gesamte Wärme­ tauscher unbrauchbar wird, da eine Trennung seiner einzelnen Bauteile praktisch nicht möglich ist.

Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik liegt nun der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aus einem korro­ sions- und oxidationsbeständigen Werkstoff zu schaffen, der eine hohe mechani­ sche Festigkeit aufweist, der hohen Temperaturwechselzyklen standhält, der einen hohen Wirkungsgrad, d. h. einen guten Wärmeaustausch zwischen den beiden Flui­ den ermöglicht, und der darüberhinaus, trotz der einzusetzenden Werkstoffe, ein­ fach aufbaubar ist und in bezug auf defekte Teile einen leichten Austausch solcher Teile ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einem Wärmetauscher mit den Merkma­ len des Oberbegriffs des Anspruchs 1, dadurch, daß die Tragstruktur aus aufeinan­ dergestapelten und über eine SiC-haltige Verbindungsschicht miteinander verbun­ denen platten- oder scheibenförmigen Teilelementen aus einem mit Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärkten Verbundwerkstoff aufgebaut ist und daß zumin­ dest zwischen dem ersten Rohr und der Tragstruktur eine Dehnungsausgleichs­ schicht aus keramischem Werkstoff und/oder Kohlenstoff angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist zum einen dadurch charakterisiert, daß er aus einzelnen, platten- oder scheibenförmigen Teilelementen aufgebaut ist, die Hohlräume aufweisen und übereinandergestapelt sind und die über eine Siliciumcar­ bid-haltige Verbindungsschicht miteinander verbunden sind. In diese so gebildete Tragstruktur werden dann die ersten Rohre, die das erste Fluid führen, eingesteckt, derart, daß zwischen den ersten Rohren und der Tragstruktur eine Dehnungsaus­ gleichsschicht aus keramischem Werkstoff und/oder Kohlenstoff angeordnet ist.

Durch diesen Aufbau sind die Tragstruktur und die Rohre, zumindest diejenigen Rohre, die das erste Fluid führen, mechanisch entkoppelt. Erst dann, wenn ein Fluid mit hoher Temperatur durch den Wärmetauscher hindurchgeführt wird, erfolgt eine Ausdehnung der ersten Rohre, so daß diese dann, im Betrieb des Wärmetauschers, fest mit der Tragstruktur verankert sind. Durch die Dehnungsausgleichsschicht ist es möglich, den Wärmetauscher bei Arbeitstemperaturen zu betreiben, die sogar höher als 1400°C liegen; außerdem kann eine Innendruckbeaufschlagung der ersten Roh­ re vorgesehen werden. Die hohe Arbeitstemperatur und der hohe Innendruck führen zu einem höheren Wirkungsgrad.

Soweit in der Beschreibung und den Ansprüchen der Begriff "Fluid" verwendet wird, fallen hierunter, im Sinne der Ausführungen, nicht nur flüssige Medien, sondern auch gasförmige Medien oder Gemische aus flüssigen und gasförmigen Medien, die durch die Rohre des Wärmetauschers hindurchgeführt werden, die auch Feststoff­ partikel mitführen können.

Da die Tragstruktur aus einzelnen Platten oder Scheiben aufgebaut ist, können mit vorgefertigten, standardisierten Teilen beliebig lange Wärmetauscherstrukturen aus solchen einzelnen Platten oder Scheiben aufgebaut werden mit den entsprechenden Hohlräumen bzw. Bohrungen, in die die Rohre, die die Fluide führen, eingesteckt werden. Aufgrund der Dehnungsausgleichsschicht aus keramischem Werkstoff und/oder Kohlenstoff wird erreicht, daß die Rohre, die im Betriebszustand des Wärme­ tauschers fest in der Tragstruktur fixiert sind, jeweils freigegebenen werden, wenn der Wärmetauscher außer Betrieb ist, so daß keine Spannungen an den Übergän­ gen gespeichert werden und es auch möglich ist, einzelne, eventuell defekte Rohre dem Wärmetauscher, ohne besondere Maßnahmen, zu entnehmen und durch ande­ re Rohre zu ersetzen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Tragstruktur und der Rohre werden auch bei Innendruckbelastungen der Rohre diese nur gering auf Zug beansprucht, was für einen sicheren und störungsfreien Betrieb eines Wärme­ tauschers von wesentlichem Vorteil ist.

Die ersten Rohre aus einem fluiddichten, korrosions- oder oxidationsbeständigen Werkstoff können handelsübliche Rohre sein, die vorzugsweise aus monolithischer Keramik, aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Cordierit oder Mullit gebildet sind. Eine monolithische Keramik wird immer dann von Vorteil sein, wenn Gasdichtheit primär gefordert ist, während erste Rohre aus Siliciumcarbid und Siliciumnitrid dann einge­ setzt werden sollten, wenn unter besonders hohen Temperaturen bei niedriger Mate­ rialausdehnung und hohen Temperaturwechselbeanspruchungen gearbeitet wird. Cordierit oder Mullit sollten dann für die ersten Rohre verwendet werden, wenn ei­ nerseits unter hohen Temperaturen gearbeitet wird, andererseits eine gute Oxidati­ ons- und Korrosionsbeständigkeit gefordert ist.

Die vorstehend angegebenen Materialien können auch für die zweiten Rohre einge­ setzt werden, die zum Hindurchleiten des zweiten Fluids, über das die Wärme des ersten Fluids im Austausch abgeführt wird, dienen. Allerdings kann das zweite Fluid, das strömungsmäßig getrennt von dem ersten Fluid geführt wird, ein solches sein, das genau definiert wird und somit keine hohen Ansprüche an die zweiten Rohre stellt, im Gegensatz zu den ersten Rohren, durch die das zu kühlende Fluid hin­ durchgeführt wird.

Falls zumindest für die ersten Rohre Siliciumcarbid verwendet wird, so sollte es sich hierbei vorzugsweise um ein Silicium-infiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) oder ein gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) handeln. Zur Fertigung der Rohre aus gesintertem Siliciumcarbid wird reines Siliciumcarbidpulver als Schlicker bereitgestellt und ge­ gossen. Solche Rohre sind gasdicht und sollten dann, wenn unter sehr hohen Tem­ peraturen gearbeitet wird, in den Wärmetauscher eingebaut werden.

Um die Dehnungsausgleichsschicht definiert zu bilden, darüberhinaus im Bereich dieser Schicht einen guten Wärmeübergang zu der Tragstruktur und damit zu den zweiten Rohren hin zu gewährleisten, wird diese Dehnungsausgleichsschicht bevor­ zugt aus einem keramischen Pulver oder aus Kohlenstoffpulver gebildet. Weiterhin eignen sich Dehnungsausgleichsschichten, die im wesentlichen aus Keramik- und/oder Kohlenstoff-Fasern gebildet sind, die darüberhinaus noch mit den jeweiligen Ma­ terialien in Pulverform gefüllt sein können. Den Fasern im Bereich der Dehnungs­ ausgleichsschicht wird eine bevorzugte Orientierung gegeben derart, daß sie in Um­ fangsrichtung der Rohre orientiert sind. Solche Dehnungsausgleichsschichten kön­ nen einfach und dünn hergestellt werden. Typische Außendurchmesser von Rohren, um die die Dehnungsausgleichsschicht herum gebildet wird, liegen im Bereich von 10 bis 100 mm mit einer Wandstärke in Abhängigkeit vom Durchmesser von 3 bis 15 mm. Die Dehnungsausgleichsschicht sollte thermische Spannungen im Bereich der Rohre verhindern und daher, in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 mm im abge­ kühlten Zustand der Rohre um diese herum liegen.

Für das vorstehend angesprochene keramische Pulver im Bereich der Dehnungs­ ausgleichsschicht eignen sich insbesondere Bornitrid- und/oder Aluminiumnitrid-Pul­ ver. Bornitrid-Pulver und Aluminiumnitrid-Pulver sind dann zu bevorzugen, wenn ei­ ne hohe Wärmeleitung einerseits, eine gute mechanische Entkopplung zwischen den Rohren und der Dehnungsausgleichsschicht gefordert sind.

Um eine hohe Festigkeit und gute Wärmeleitung zu erreichen, wird die Faserverstär­ kung in den Teilelementen aus zweidimensionalen Geweben, Faser-Rovings oder Gewebe-Bändern gebildet. Um eine Tragstruktur, aufgebaut aus den einzelnen Tei­ lelementen, zu erreichen, die sehr hohen Temperaturen standhält und eine sehr ho­ he Festigkeit aufweist, wird ein Kohlenstoff-faserverstärkter Verbundwerkstoff einge­ setzt, dessen Kohlenstoff-Fasern in Siliciumcarbid eingebettet werden. Dieses Silici­ umcarbid wird durch Infiltrieren von flüssigem Silicium in eine Rißstruktur unter Wär­ meeinwirkung und Reaktion mit Kohlenstoff gebildet.

Die Teilelemente, aus denen die Tragstruktur aufgebaut ist, sollten in dem Faserver­ lauf ihrer Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern so orientiert werden, daß ein mög­ lichst hoher Wärmefluß zwischen den ersten Rohren, die das erwärmte Fluid führen zu den zweiten Rohren, die das Kühlfluid führen bzw. zu der Außenseite des Wär­ metauschers hin, gewährleistet ist. Dies kann darüber hinaus sowohl durch die Wahl des Faservolumens in der Tragstruktur als auch des Fasertyps erreicht werden. Um diesen Wärmefluß über die Faserorientierung zu erreichen, sollten mindestens 50% der Fasern, vorzugsweise mindestens 90% der Fasern, in den Teilelementen paral­ lel zur Platten- oder Scheibenebene der als Platten oder Scheiben ausgebildeten Teilelemente verlaufen, d. h. die Fasern sind mit einem hohen Anteil radial nach au­ ßen von den Rohrachsen der ersten und/oder der zweiten Rohre aus gesehen, je­ weils orientiert.

Für einen einfachen Aufbau werden solche Faser-Rovings oder Gewebe-Bänder ge­ wickelt, vorzugsweise derart, daß sich die einzelnen Lagen radial um die Achsen der später eingesetzten Rohre bzw. der Hohlräume, in die die Rohre eingesetzt werden, erstrecken. Hierdurch ergibt sich in Umfangsrichtung eine hohe Festigkeit der Teile­ lemente, aus denen die Tragstruktur aufgebaut wird.

Während des Aufbaus solcher gewickelten Teilelemente können definierte Zwi­ schenhohlräume ausgebildet werden, insbesondere dann, wenn die Bohrungen in den einzelnen Teilelementen wechselweise mit einem endlosen Band umwickelt werden. Die Zwischenhohlräume bilden sich dann im Bereich der sich kreuzenden Fasern. In solche Zwischenhohlräume können dann Einsatzteile mit hoher gerichte­ ter Wärmeleitung eingesetzt werden. Solche Einsatzteile können aber auch nach­ träglich in die Teilelemente eingebrachte Hohlräume eingesetzt werden. Für solche Einsatzteile eignen sich keramische oder keramisierte, kohlenstoff-faserverstärkte Verbundstoffe. Besonders bevorzugt sind Einsatzteile aus Siliciumcarbid, die in den Wickelkörper eingebettet werden. Gerade Siliciumcarbid bringt den Vorteil mit sich, daß artgleiches Material zu den Rohren bzw. der Faserkeramik verwendet werden kann.

Solche Einsatzteile sollten aber so verteilt angeordnet und in ihrem Volumen dimen­ sioniert werden, daß eine möglichst hohe, gerichtete Wärmeleitung radial von den einzelnen Rohren, die das Arbeitsfluid führen, zu den Rohren, die das Kühlfluid füh­ ren hin, erfolgt.

Wie bereits vorstehend erwähnt ist, können in die jeweiligen Bohrungen, die defi­ niert in den Teilelementen und in der daraus gebildeten Tragstruktur eingebracht sind, die ersten und zweiten Rohre eingeführt werden, durch die das erste und das zweite Fluid geführt wird. Bevorzugt wird jeweils benachbart zu einem ersten Rohr jeweils ein zweites Rohr angeordnet. Um einen hohen Wirkungsgrad im Wärmeaus­ tausch zu erreichen, ist allerdings ein Aufbau zu bevorzugen, bei dem ein erstes Rohr, durch das das zu kühlende erste Fluid hindurchgeführt wird, zentral in der Tragstruktur angeordnet ist, während die zweiten Rohre radial um das erste Rohr verteilt werden, durch die das Kühl-Fluid hindurchgeführt wird. Zu bevorzugen ist eine symmetrische Anordnung der zweiten Rohre um das zentrale erste Rohr herum, darüber hinaus eine Anordnung derart, daß die Achsen der jeweiligen Rohre parallel zueinander verlaufen.

Der Wärmetauscher, wie er vorstehend in seinen verschiedenen Ausführungsformen beschrieben ist, kann als Moduleinheit dienen, wobei dann die Querschnittsform der Tragstruktur (die dann die Moduleinheit bildet), so ausgeführt ist, daß aufeinander­ grenzende Moduleinheiten flächig aneinanderliegen. Hierzu ist eine Querschnitts­ form der Tragstruktur als Polygon, vorzugsweise als Hexagon, zu bevorzugen, so daß an die jeweiligen Seitenkanten einer solchen Tragstruktur jeweils eine weitere Moduleinheit angelegt wird. Falls die polygonförmige Querschnittsform eine gleiche Seitenlänge aufweist, darüberhinaus das Polygon ein sechsseitiges Polygon (Hexagon) ist, können um eine zentrale Moduleinheit sechs weitere Moduleinheiten angelegt werden, so daß sich eine größere Wärmeaustauschereinheit ergibt. Weite­ re solcher Moduleinheiten können dann beliebig um diese Einheit herum an der Au­ ßenseite angefügt werden. Für die Verbindung der einzelnen Moduleinheiten sind vorzugsweise in den Außenoberflächen Fixiernuten vorgesehen, in die Fixierteile wie Stäbe, eingelegt werden können. Solche Fixierteile sollten ein mit der Tragstruk­ tur artgleiches Material sein, um keine unterschiedlichen Wärmedehnungen hervorzurufen.

Um den Wärmetauscher gegen Oxidation oder Korrosion zu schützen, kann die Au­ ßenoberfläche der Tragstruktur mit einer entsprechenden Schutzschicht versehen werden, vorzugsweise einer solchen, die aus Siliciumcarbid und/oder Siliciumdioxid und/oder Molybdändisilizid gebildet ist.

Wie eingangs beschrieben ist, wird die Tragstruktur aus einzelnen Teilelementen aufgebaut. Jedes Teilelement wiederum kann aus mehreren Einzelplatten bestehen. Um in Richtung der Längsachse des Wärmetauschers gesehen die Wärmevertei­ lung im Bereich der Tragstruktur zu homogenisieren und eventuelle Wärmegradien­ ten abzubauen, werden Teilelemente oder Gruppen aus Teilelementen mit zueinan­ der unterschiedlichen, allerdings dennoch definierten Faserorientierungen bereitge­ stellt, die dann in einer definierten Reihenfolge zu der gesamten Tragstruktur zusammengesetzt und mittels der Siliciumcarbid-haltigen Verbindungsschicht ver­ bunden werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschrei­ bung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 bis 4 den schrittweisen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers entsprechend einer ersten Ausführungsform,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen weiteren Wärmetauscher, der eine hexagonale Querschnittsstruktur aufweist,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen weiteren Wärmetauscher, der aus mehre­ ren Wärmetauscher-Modulen entsprechend Fig. 5 aufgebaut ist,

Fig. 7 bis 9 den Wärmetauscher, wie er im Schnitt in Fig. 5 dargestellt ist, in perspektivischer Darstellung in drei Verfahrensschritten seiner Herstel­ lung, und

Fig. 10 eine Tragestruktur vergleichbar mit derjenigen, die in Fig. 8 dargestellt ist, die aus Faser-Rovings oder Gewebebändern gefertigt ist, wobei die einzelnen Faserstrukturen im vorderen Bereich angedeutet dargestellt sind.

Der Wärmetauscher, wie er in der perspektivischen Darstellung der Fig. 4 zu se­ hen ist, umfaßt eine aus mehreren plattenförmigen Teilelementen 1 und 2 aufgebau­ te Tragstruktur 3. In dieser Tragstruktur 3 sind ein zentrales erstes Rohr 4 und um den Umfang des zentralen Rohrs 4 verteilt weitere zweite Rohre 5 eingebettet. Wäh­ rend das zentrale, erste Rohr 4 dazu dient, ein zu kühlendes Fluid hindurchzufüh­ ren, wird durch das zweite Rohr 5 ein zweites Fluid, das als Kühlfluid dient, geleitet.

Um einen solchen Wärmetauscher, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, herzustellen, werden zunächst die verschiedenen Teilelemente 1 und 2, wie in Fig. 1 gezeigt ist, hergestellt. Jedes Teilelement 1, 2 wird aus einem mit Kohlenstoff- und Keramik-Fa­ sern verstärkten Verbundwerkstoff aufgebaut. Die Teilelemente 1 und 2, wie sie in Fig. 1 zu sehen sind, unterscheiden sich hierbei jeweils durch eine unterschiedliche Faserorientierung, wie durch den Faserverlauf in der oberen, linken Ecke jedes Teilelements 1, 2 angedeutet ist. Während in den Teilelementen 1 die Fasern im wesentlichen in der Ebene des jeweiligen Teilelements 1 und parallel zu den Seitenkanten des Teilelements ausgerichtet sind, sind die Fasern in den Teile­ lementen 2, die ebenfalls im wesentlichen in der Ebene des Teilelements liegen, 45° zu der Orientierung der Fasern in den ersten Teilelementen bzw. 45° zu den Seiten­ kanten des Teilelements 2 ausgerichtet. Wie anhand der Teilelemente 1 angedeutet ist, kann jedes Teilelement aus einzelnen Platten mit geringer Dicke aufgebaut werden.

Die Herstellung eines Plattenteils bzw. eines Teilelements 1, 2 erfolgt aus einem po­ rösen, kohlenstoff-faserverstärkten Kohlenstoffmaterial (C/C) mit sogenannten Lang­ fasern, oder Fasern, die endlos sind, in orthotroper bzw. quasi-isotroper Orientie­ rung zur Plattenebene. Solche Faserplatten werden dann zunächst zu einem Teile­ lement 1 zusammengefügt, beispielsweise durch Verkleben mit einer kohlenstoff-rei­ chen Paste. Die einzelnen Teilelemente 1, 2 werden dann ebenfalls miteinander un­ ter Heranziehung dieser Verbindungstechnik verklebt, so daß sich ein Vorkörper er­ gibt, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Danach werden, wie in Fig. 3 dargestellt, Boh­ rungen 6 eingebracht, was mit einem relativ geringen Aufwand möglich ist, da dieser Vorkörper leicht mit herkömmlichen Bohrtechniken bearbeitbar ist. Bei diesem Vor­ körper handelt es sich um ein poröses Gebilde, wobei die Poren gegebenenfalls de­ finiert ausgebildet werden können. Hierzu wird vorzugsweise eine Technik ange­ wandt, wobei die einzelnen Kohlenstoff-Fasern in einem kohlenstoff-reichen Polymer eingebettet sind, wobei unter Pyrolyse eine solche definierte Rißstruktur erzeugt und definiert eingestellt werden kann. Die Poren bzw. die Rißstruktur dieser Tragstruktur des C/C-Körpers wird dann mit flüssigem Silicium infiltriert, das unter Wärmeeinwir­ kung bei Temperaturen im Bereich von 1410°C bis 1700°C zu Siliciumcarbid umge­ wandelt wird. Die Querschnitte der Bohrungen 6 können definiert eingestellt werden. Gleichzeitig mit dem Infiltrieren von flüssigem Silicium in die Porenstruktur wird im Bereich der Klebeflächen der flächig miteinander verklebten Teilelemente 1, 2 eine Siliciumcarbid-Verbindungsschicht gebildet, so daß die Klebeschicht durch eine Siliciumcarbidschicht ersetzt wird und sich eine homogene, hochfeste Tragstruktur 3 auch im Bereich der Fügestelle einzelner Teilelemente 1, 2 ergibt.

Entsprechend den Bohrungsquerschnitten werden die einzusetzenden ersten und zweiten Rohre 4 und 5 dimensioniert, allerdings derart, daß deren Durchmesser ge­ ringfügig kleiner ist als der freie Bohrungsdurchmesser, so daß ein Zwischenraum bei eingelegtem Rohr entsteht. Diese Zwischenräume dienen als Dehnungsaus­ gleichsbereich, der mit einer Dehnungsausgleichsschicht 8 aus keramischem Werk­ stoff und/oder Kohlenstoff gefüllt wird. Die Dehnungsausgleichsschicht 8 kann da­ durch gebildet werden, daß, vor Einlegen der Rohre in die Bohrungen, eine Schicht aus Keramik- und/oder Kohlenstoff-Fasern oder -Folien eingefügt wird. Anschlie­ ßend werden die Rohre eingesteckt, so daß diese unter Einhaltung eines definierten Spalts den verbleibenden Freiraum ausfüllen. Alternativ werden zunächst in die Boh­ rungen die ersten und zweiten Rohre eingelegt und der Zwischenraum mit einem ke­ ramischen Pulvermaterial weitgehendst aufgefüllt. In der Anordnung, wie sie in Fig. 4 zu sehen ist, sind die ersten und zweiten Rohre 4, 5 in der Tragstruktur 3 zwar fi­ xiert, allerdings nicht kraft- und formschlüssig so eingebettet, daß sie unverrückbar wären.

Während in Fig. 4 ein Wärmetauscher schematisch dargestellt ist, der quer zur Längserstreckung der ersten und zweiten Rohre 4, 5 eine quadratische Struktur auf­ weist, ist in Fig. 5 bzw. in Fig. 9 ein Wärmetauscher-Modul gezeigt, das einen hexagonalen Querschnitt mit einer gleichen Seitenlänge aufweist. Prinzipiell ist ein solcher Wärmetauscher so aufgebaut, wie dies vorstehend anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert ist, wobei die Fig. 7 wiederum ein einzelnes Teilelement 1, 2 einer sol­ chen Tragstruktur 3 zeigt. Mehrere solcher Teilelemente 1, 2 werden dann aufeinan­ der verklebt, wie in Fig. 8 mit den Klebe- bzw. Verbindungsschichten 7 angedeutet ist. Nach Keramisieren dieses Vorkörpers entsprechend der Fig. 8 werden dann die Rohre 4, 5 in die Bohrungen eingesteckt, wiederum mit einer keramischen Zwi­ schenschicht, die als Dehnungsschicht 8 dient, wie in Fig. 5 angedeutet ist.

Wie zu erkennen ist, können aus dem modulartigen Aufbau des Wärmetauschers mit einzelnen Teilelementen 1, 2 Wärmetauscher beliebiger Längen hergestellt wer­ den, wozu standardisierte Teile herangezogen werden. Mit einer polygonalen Querschnittsform der Tragstruktur 3, wie sie vorstehend beschrieben ist, insbeson­ dere mit einer hexagonalen Querschnittsform, die Seiten mit gleicher Länge besitzt, können Wärmetauscherstrukturen aufgebaut werden, wie sie beispielsweise in Fig. 6 zu sehen ist. Hierbei werden einer zentralen Wärmetauschereinheit weitere Modu­ leinheiten einer entsprechenden Querschnittsform jeder Seitenfläche zugeordnet, so daß die mittlere, zentrale Wärmetauscher-Moduleinheit vollständig von äußeren Mo­ duleinheiten umgeben wird. In den Seitenflächen der Moduleinheiten sind, in Längs­ richtung der Rohre 4, 5 gesehen, Fixierungsnuten 9 ausgebildet, beispielsweise mit einem halbkreisförmigen Querschnitt, die sich dann beim Aufbau des Wärmetau­ schers entsprechend der Fig. 6 mit den Nuten angrenzender Wärmetauscher-Mo­ dule zu einer Bohrung ergänzen, in die beispielsweise Fixierstifte oder Fixierstäbe 10 eingesetzt werden können. Die einzelnen Moduleinheiten entsprechend der Fig. 6 können mit geeigneten Verbindungstechniken verbunden werden, wozu sich bei­ spielsweise Siliciumcarbidschichten eignen. Die jeweiligen Rohre 4, 5 der Modulein­ heiten der Fig. 6 können in geeigneter Weise strömungsmäßig miteinander verbun­ den werden, so daß sich zwei Strömungssysteme ergeben, wobei das erste Strö­ mungssystem die ersten Rohre 4 (heller Querschnitt in Fig. 6) umfaßt, während das zweite Rohrsystem (zweite Rohre 5 - dunkel angedeutet in Fig. 6) das zweite Rohr­ system bildet. Durch das erste Rohrsystem wird das zu kühlende Fluid geführt, wäh­ rend das zweite Rohrsystem das Kühlfluid aufnimmt.

Wie weiterhin anhand der Fig. 6 zu erkennen ist, können mit Moduleinheiten, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, andere geometrische Gebilde hergestellt werden, bei­ spielsweise Wärmetauscher, die einen relativ großen, mittleren Hohlraum aufweisen oder komplexe Wärmetauscherstrukturen, wie beispielsweise Wandflächen, die in ihrer Länge und Höhe variabel sind, um sie den Anforderungen jeweils anzupassen.

In Fig. 10 ist eine Tragestruktur 3 gezeigt, die aus Faser-Rovings oder Gewebe­ bändern gewickelt ist. Wie aus dem angedeuteten Faserverlauf im Bereich der vor­ deren Stirnflächen der Wickelstruktur zu erkennen ist, ist diese Tragestruktur in Z- Richtung sich aufbauend gewickelt, indem die einzelnen Faserlagen wechselweise um die einzelnen Bohrungen 6, für die zunächst nicht dargestellte Platzhalter wäh­ rend des Wickelvorgangs eingesetzt werden können, gewickelt. Durch den kreuzweisen Verlauf im wesentlichen jeweils um den entsprechenden Platzhalter für das einzusetzende innere Rohr 4 herum ergibt sich eine hochfeste Struktur. Wie weiterhin zu sehen ist, werden die Fasern oder Faserbänder so gelegt, daß sie je­ weils zu gegenüberliegenden Platzhaltern verlaufen und dann zu dem jeweils be­ nachbarten Platzhalter geführt werden. Während dieses Wickelvorgangs entstehen an das innere Rohr 4 bzw. die Bohrung 6 für das innere Rohr 4 angrenzend dreieck­ förmige Hohlräume, in die dann ein entsprechendes Einsatzteil 11 aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einer Faserkeramik, eingesetzt werden kann. Die Dehnungsausgleichsschicht kann bei einem Aufbau, wie er in Fig. 10 dargestellt ist, zunächst um Platzhalter-Formkörper herum angeordnet werden, be­ vor der eigentlichen Wickelvorgang erfolgt. Die Dehnungsausgleichsschicht kann aber auch während des Wickelns durch Aufbringen von Fasern radial um einen ent­ sprechenden Kern oder Bereich die jeweiligen vorgefertigten ersten und zweiten Rohre 4, 5, die allerdings nicht näher in Fig. 10 dargestellt sind, aufgebaut werden.

Claims (30)

1. Wärmetauscher, der mindestens ein erstes Rohr zum Hindurchleiten eines er­ sten Fluids und mindestens ein zweites Rohr zum Hindurchleiten eines Wärme abführenden zweiten Fluids aufweist, wobei zumindest das erste Rohr, aus ei­ nem fluiddichten, korrosions- und oxidationsbeständigen Werkstoff, in einer aus mehreren einzelnen Teilelementen gebildeten Tragstruktur aus SiC-halti­ gem Werkstoff in einer Bohrung der Teilelemente gehalten ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Tragstruktur (3) aus aufeinandergestapelten und über eine SiC-haltige Verbindungsschicht (7) miteinander verbundenen platten- oder scheibenförmigen Teilelementen (1, 2) aus einem mit Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärkten Verbundwerkstoff aufgebaut ist und daß zumindest zwischen dem ersten Rohr (4) und der Tragstruktur (3) eine Dehnungsaus­ gleichsschicht (8) aus keramischem Werkstoff und/oder Kohlenstoff angeord­ net ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das erste Rohr (4) aus monolithischer Keramik gebildet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das erste Rohr (4) aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Cordierit oder Mullit gebil­ det ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Silicium­ carbid ein Silicium-infiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) oder gesintertes Silicium­ carbid (SSiC) verwendet wird.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deh­ nungsausgleichsschicht (8) im wesentlichen aus keramischem Pulver oder Kohlenstoffpulver gebildet ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deh­ nungsausgleichsschicht (8) im wesentlichen aus Keramik- und/oder Kohlen­ stoff-Fasern gebildet ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern bevorzugt in Umfangsrichtung der Rohre (4, 5) orientiert sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deh­ nungsausgleichsschicht (8) aus einem folienförmigen Werkstoff, insbesondere Graphit-Folie, gebildet ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deh­ nungsausgleichsschicht (8) aus einer Mischung aus faser- und pulverförmigem Werkstoff gebildet ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deh­ nungsausgleichsschicht (8) aus Bornitrid- und/oder Aluminiumnitrid-Pulver ge­ bildet ist.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 50% der Fasern in den Teilelementen (1, 2) parallel zur Platten- oder Scheibenebene der als Platten oder Scheiben ausgebildeten Teilelemente (1, 2) verlaufen.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 90% der Fasern in den Teilelementen parallel zur Platten- oder Scheibenebene der als Platten oder Scheiben ausgebildeten Teilelemente verlaufen.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilele­ mente (1, 2) aus einem kohlenstoff-faserverstärkten Verbundwerkstoff gebildet sind, wobei die Kohlenstoff-Fasern in Siliciumcarbid eingebettet sind, das durch Infiltrieren von flüssigem Silicium und unter Wärmeeinwirkung mit Koh­ lenstoff zu Siliciumcarbid umgewandelt ist.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserver­ stärkung in den Teilelementen (1, 2) aus zweidimensionalen Geweben, Faser- Rovings oder Gewebe-Bändern gebildet ist.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser­ verstärkung der Teilelemente (1, 2) aus gewickelten Faser-Rovings oder Ge­ webe-Bändern oder gestrickten Faser-Rovings gebildet ist (Fig. 10).

16. Wärmetauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in durch die Faserwicklung erzeugte Zwischenhohlräume diese ausfüllende Einsatzteile mit hoher, gerichteter Wärmeleitung eingesetzt oder in diesen gebildet sind.

17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatz­ teile aus keramischem oder keramisiertem, kohlenstoff-faserverstärktem Ver­ bundwerkstoff gebildet sind.

18. Wärmetauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatz­ teile aus SiC gebildet sind.

19. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem minde­ stens einen ersten Rohr (4) das mindestens eine zweite Rohr (5) benachbart in einer in den Teilelementen (1, 2) eingebrachten Bohrung (6) gehalten ist.

20. Wärmetauscher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß um ein zen­ trales, erstes Rohr (4) mehrere zweite Rohre (5) angeordnet sind.

21. Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Rohre symmetrisch um das zentrale erste Rohr angeordnet sind.

22. Wärmetauscher nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der ersten und der zweiten Rohre (4, 5) parallel zueinander verlaufen.

23. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauscher-Moduleinheit mehrere Moduleinheiten zu einer Wär­ metauschereinheit zusammengeführt sind, wobei die Querschnittsform der Mo­ duleinheit so ausgeführt ist, daß aneinandergrenzende Moduleinheiten flächig aneinander liegen.

24. Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer­ schnittsform der Moduleinheiten als Polygon, vorzugsweise als Hexagon, aus­ geführt ist.

25. Wärmetauscher nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Polygon gleiche Seitenlängen aufweist.

26. Wärmetauscher nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Sei­ te einer zentralen Moduleinheit eine weitere Moduleinheit anliegt.

27. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in dessen Außenoberfläche Fixiernuten (9) vorgesehen sind.

28. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche der Tragstruktur (3) mit einer Schutzschicht gegen Oxidation oder Korrosion versehen ist.

29. Wärmetauscher nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz­ schicht aus Siliciumcarbid und/oder Siliciumdioxid und/oder Molybdändisilicid gebildet ist.

30. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Tragstruktur (3) mehrere Teilelemente (1, 2) jeweils zu Gruppen zusammenge­ faßt sind und benachbarte Gruppen eine unterschiedliche Faserorientierung aufweisen.