Structure cylindrique alvéolaire monolithique statique à grande surface de contact

Description

[0001] La présente invention concerne une structure cylindrique alvéolaire monolithique statique à grande surface de contact en matériau céramique, comportant une pluralité de canaux parallèles définis par des parois de type radial et des parois de type circulaire, dans laquelle les canaux forment deux groupes traversés chacun par un fluide, les canaux de l'un des deux groupes étant imbriqués entre les canaux de l'autre groupe selon un décalage angulaire ; la section droite de ladite structure comportant une zone annulairq composée de canaux parallèles et un canal central permettant l'admission et/ou l'évacuation des fluides par communications sélectives avec l'un ou l'autre des deux groupes de canaux, ledit canal étant obturé par un bouchon étanche. Elle s'applique plus particulièrement aux échangeurs de chaleur à température élevée (de l'ordre de 1 200 °C), mais convient aussi à d'autres applications, telles que les traitements de gaz par catalyse, les échanges de matière par diffusion à travers une paroi.

[0002] On connaît par le document FR-A-2417074 une structure cylindrique alvéolaire de ce genre. Les groupes de canaux y sont décalés radialement et les canaux ont une section allongée s'étendant presque sur toute la largeur de la zone annulaire en direction radiale. Donc la buse d'extrusion pour la fabrication de ces structures est relàtivement difficile à réaliser et fragile, ses noyaux radiaux n'étant fixés qu'à l'une de leurs extrémités. On ne peut, par conséquent, fabriquer de telles structures cylindriques qu'en un diamètre relativement grand.

[0003] La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient, et de procurer une structure alvéolaire cylindrique en matériau céramique qui soit de fabrication- facile, à l'aide d'une buse d'extrusion de structure robuste, qui possède une grande surface d'échange par unité de volume, et qui puisse être de faible diamètre tout en présentant un grand nombre de canaux.

[0004] La structure cylindrique selon l'invention est caractérisée par le fait qu'à chaque extrémité un embout obture la zone annulaire, et que les parois de type circulaire des deux groupes de canaux parallèles sont inscrites dans plusieurs cylindres coaxiaux à ladite structure.

[0005] Les avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence aux figures du dessin annexé, où :

la figure 1 est une vue partielle en perspective, avec arrachement, illustrant un type de structure alvéolaire de section rectangulaire, conformément à une technique connue,

la figure 2 est une vue partielle en perspective d'une structure alvéolaire conforme à l'invention, destinée à être traversée par deux flux distincts dont l'un est admis par un canal central,

les figures 3A et 3B illustrent chacune une cartouche complète, comportant une structure selon la figure 2,

la figure 4 est une coupe schématique de la cartouche illustrée en figure 3B, illustrant les trajets empruntés par les deux flux,

les figures 5A et 5B sont des coupes schématiques pour des variantes à un seul flux d'entrée, et deux flux de sortie dont l'un est une partie filtrée du flux d'entrée, la structure selon l'invention constituant alors un filtre, respectivement à flux total et à flux dérivé, par exemple pour l'épuration des gaz émis par des moteurs diesels,

les figures 6A, 6B, 6C illustrent en vue partielle arrachée et à échelle agrandie différentes variantes de réalisation des parois de la structure selon l'invention,

les figures 7 et 8 illustrent, respectivement en vue partielle arrachée et en perspective, une variante conforme à l'invention de structure pour laquelle l'un des deux flux est introduit et extrait par les faces d'extrémité,

la figure 9 illustre un maillage à cellules proches du carré, ce maillage convenant tout particulièrement à une structure traversée par un seul flux en vue d'une grande accumulation d'énergie thermique.

[0006] Figure 1, l'extrémité de structure alvéolaire 1 conforme à une technique connue est de section rectangulaire et à maille rectangulaire. La face d'extrémité 2 est obturée sélectivement, selon une alternance de rangées parallèles : un premier flux est admis (flèche 3) par la face 2 dans des canaux parallèles tels que 4, et est évacué par l'autre face (non visible), tandis qu'un deuxième flux est admis (flèche 5) par des orifices latéraux 6 dans des canaux parallèles tels que 7 (dont les extrémités sont donc obturées), et évacué latéralement au voisinage de l'autre face : l'échange thermique se fait par les parois telles que 8 séparant deux ensembles adjacents de canaux. Une telle structure est obtenue par extrusion, puis séchage et traitement thermique lorsqu'elle est réalisée en matière céramique, et l'obturation sélective de ses faces d'extrémité est en général réalisée par trempage dans une barbotine.

[0007] On conçoit bien, outre les difficultés de réalisation lorsque les dimensions sont faibles, que les arêtes, et il y en a douze, soient des sources d'inconvénients aussi bien quant au traitement qui est nécessairement hétérogène, que quant à la rigidité mécanique de la structure.

[0008] En figure 2, dans un exemple de structure 9 conforme à l'invention, les canaux sont définis par des parois 10 de type radial et des parois 11 de type circulaire, lesdits canaux définissant des ensembles à disposition essentiellement rayonnante traversés par un même flux. Ici, l'organisation générale est cylindrique, aussi bien quant à la section, la surface extérieure cylindrique permettant un séchage et un traitement thermique beaucoup plus uniforme et offrant une rigidité mécanique très supérieure par rapport aux structures à section rectangulaire, que quant à la disposition des canaux traversés par un même flux, dont la disposition essentiellement rayonnante, en alternance selon un décalage angulaire, est clairement illustrée.

[0009] Selon une disposition particulièrement avantageuse, la structure 9 est réalisée selon un cylindre évidé dont la section annulaire, formant la partie alvéolaire utile, est constituée d'ensembles de canaux parallèles, et dont le logement central 12 est un canal permettant l'admission et/ou l'évacuation de l'un des deux flux, ledit canal étant obturé au voisinage d'une de ses extrémités (non visible ici, mais ultérieurement représenté sur les coupes des figures 4 et 5) pour répartir le flux dans les alvéoles de ladite structure. A chaque extrémité, la structure comporte un embout 13 permettant d'obturer simultanément par sa face circulaire 14 tous les canaux débouchant sur la face annulaire d'extrémité, tout en laissant un libre accès par un orifice 15 au canal central 12. Cet embout, réalisé en toute matière étanche (métallique ou céramique) sera selon le cas fixé par métallisation de la céramique à haute température, ou par collage, ou par brasure avec des verres, selon les gammes de températures de fonctionnement.

[0010] Il faut insister quelque peu sur l'utilisation d'un tel canal central, dont la communication avec un ensemble de canaux n'est pas toujours nécessaire, car cette utilisation est tout à fait remarquable : en effet, on n'avait utilisé jusqu'alors un canal central que comme passage de moyeu dans le cas de roues alvéolaires en céramique formant des échangeurs rotatifs, des régénérateurs par exemple. Or ici, le rôle du canal est infiniment plus actif, puisqu'il permet d'introduire et extraire l'un des flux, avec l'avantage non négligeable de pouvoir obturer en totalité les faces d'extrémité.

[0011] En outre, l'évidement central, dans la disposition annulaire, qu'il serve ou non à l'acheminement d'un flux, permet de réduire les contraintes dues aux variations dimensionnelles de la structure, au cours de son élaboration et/ou de son utilisation.

[0012] Ici donc, sur la figure 2, un groupe de canaux communique avec le canal central, l'embout d'extrémité obturant simultanément lesdits canaux, tandis que l'autre groupe de canaux, associé au deuxième flux, présente des orifices latéraux 16 d'admission et/ou d'évacuation du flux associé.

[0013] Les figures 3A et 3B illustrent une structure complète, se présentant sous la forme d'une cartouche, avec une paroi de séparation 17 fixée sur la surface extérieure pour séparer les deux flux, et présentant respectivement des orifices latéraux d'entrée et de sortie d'un flux 16A débouchant directement contre le plan des faces annulaires d'extrémité, et 16B ménagés à une certaine distance desdites faces, ce qui complique un peu l'usinage dans ce dernier cas, mais permet surtout d'accroître notablement la rigidité des extrémités de la structure. Les ouvertures sont d'une façon générale obtenues par usinage classique des cloisons au moyen de meules, fraises ou par tout autre procédé (ultra-sons, laser, etc...) ; l'usinage sera de préférence pratiqué sur l'élément céramique extrudé cru, tandis que sur un élément précuit (biscuit) ou même cuit, on préférera utiliser des ultra-sons ou des disques diamantés, la structure munie de ses ouvertures pouvant être de toute façon soumise à une cuisson lui conférant la résistance mécanique désirée.

[0014] La figure 4 illustre bien les trajets qu'empruntent les deux flux traversant la structure 9B, et montre le bouchon étanche 18 obturant le canal central 12 : la partie inférieure de la coupe concerne la circulation du flux admis par le canal central, dans des canaux parallèles successifs, tandis que la partie supérieure concerne la circulation de l'autre flux qui est admis et expulsé latéralement par les orifices 16B. La découpe circulaire des orifices schématise un usinage des parois par une meule de type circulaire, mais il va de soi que l'on peut choisir tout autre type de découpe.

[0015] Les figures 5A et 5B illustrent des variantes constituant un filtre, par exemple pour épuration des gaz émis par des moteurs diesels, variantes selon lesquelles le cloisonnement entre les deux groupes de canaux est tel que le flux évacué est une partie filtrée du flux admis par le canal central 12, après traversée dudit cloisonnement : on utilisera naturellement pour réaliser la structure une matière présentant la porosité désirée en fonction du gaz particulier à épurer ; figure 5A, il s'agit d'un filtre à flux total, auquel cas la structure 9C ne présente aucun orifice latéral, tandis que figure 5B, il s'agit d'un filtre à flux dérivé, auquel cas la structure 9'C présente un orifice latéral 16B pour la portion dérivée.

[0016] Les figures 6A à 6C représentent des exemples de variantes pour les parois de type radial et de type circulaire. Figure 6A, les parois 10A sont . rectilignes et inscrites dans des plans radiaux, tandis que les parois 11A sont inscrites dans des cylindres coaxiaux à ladite structure. Figure 6B, les parois 10B sont rectilignes et inscrites dans des plans parallèles deux à deux, tandis que les parois 11 B sont rectilignes entre deux parois 10B adjacentes, définissant des contours en ligne brisée. Figure 6C, les parois 10C sont ondulées, tandis que les parois 11C sont inscrites dans des cylindres coaxiaux, mais disposées en quinconce à chaque couple de parois 10C et se raccordant à celles-ci aux sommets des ondulations.

[0017] On a vu précédemment que l'on peut obturer simultanément les canaux aux faces annulaires d'extrémité, avec un embout d'extrémité laissant passer un flux par le canal central. Il peut s'avérer intéressant dans certains cas d'introduire et extraire ce flux par les faces annulaires : dans ce cas, chaque face annulaire d'extrémité présente une obturation sélective radiale, obturation qui peut être obtenue par un ensemble de secteurs annulaires rayonnants : ces secteurs ont été représentés, avec arrachement, aux figures 6A, 6B, 6C, avec les références respectives 19A, 19B, 19C. Si ces secteurs sont suffisamment larges, on peut même, ainsi que cela a été représenté en figure 7, mettre à profit ces parties larges pour augmenter la surface utile inter-flux : à cet effet, on peut prévoir en leur zone large une portion découpée 20 ouvrant sur d'autres canaux concernés par le flux admis et évacué par les faces annulaires d'extrémité ; les parois 10D sont ici rectilignes, parallèles pour la portion découpée, radiales pour les autres, tandis que les parois 11 D sont circulaires. On peut prévoir, figure 8, un embout 21 à chaque extrémité, dont le rebord circulaire 22 s'appuie contre la périphérie des faces annulaires d'extrémité, ou plus exactement des secteurs 19D, et dont la surface définit une chambre intérieure débouchant vers l'extérieur par un orifice plus étroit 23.

[0018] La figure 9 illustre encore un autre exemple où les parois 10E et 11 E définissent pour chaque canal un profil d'alvéole proche du carré.

[0019] Il va de soi que l'écartement relatif entre les différentes parois sera choisi de façon à être parfaitement adapté aux contraintes subies sous l'effet de la pression différentielle des deux flux. Les parois de type radial sont disposées de façon à répartir, selon les critères aérodynamiques désirés. la surface offerte à chacun des deux flux : en particulier, l'écartement entre lesdites parois sera choisi en fonction des débits et des vitesses de chacun des flux.

[0020] On signalera deux avantages supplémentaires procurés par la structure de l'invention : d'abord, la conception annulaire, par sa rigidité de forme, permet de concevoir des cartouches plus longues qu'avec n'importe quelle autre architecture de section utile donnée ; ensuite, la section cylindrique permet accessoirement de prévoir une rotation de la structure autour de son axe lors des étapes de la fabrication, ce qui favorise grandement l'homogénéité du séchage.

Revendications

1. Structure cylindrique alvéolaire monolithique statique à grande surface de contact en matériau céramique, comportant une pluralité de canaux parallèles définis par des parois de type radial (10) et des parois de type circulaire (11), dans laquelle les canaux forment deux groupes, traversés chacun par un fluide, les canaux de l'un des deux groupes étant imbriqués entre les canaux de l'autre groupe selon un décalage angulaire, la section droite de la structure comportant une zone annulaire composée de canaux parallèles et un canal central (12), qui est obturé par un bouchon (18) et qui permet l'admission et/ou l'évacuation des fluides par des communications sélectives avec l'un ou l'autre des deux groupes de canaux, caractérisé par le fait qu'à chaque extrémité, un embout (13) obture la zone annulaire et que les parois de type circulaire (11) des deux groupes de canaux paral- tètes sont inscrites dans plusieurs cylindres coaxiaux à ladite structure.

2. Structure selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un groupe de canaux présente des orifices latéraux (16, fig. 2) d'admission et/ou d'évacuation du flux associé.

3. Structure selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les orifices latéraux débouchent directement contre le plan de l'embout (13. fig. 3A).

4. Structure selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les orifices latéraux (16B, fig. 4) sont prévus à une certaine distance de l'embout (13, fig. 3B).

5. Structure selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée par le fait que le cloisonnement entre les deux groupes de canaux est tel que le flux évacué par les orifices latéraux associés (16B) est une partie filtrée du flux admis par le canal central (12), après traversée dudit cloisonnement (fig. 5B).

6. Structure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'un des deux flux est admis et évacué par le canal central, tandis que le groupe de canaux associé à l'autre flux présente des orifices latéraux (16B) d'admission et d'évacuation dudit flux (fig. 4).

7. Structure selon la revendication 6, caractérisée par le fait que l'obturation sélective est obtenue par un ensemble de secteurs annulaires rayonnants (19A, 19B, 19C).

8. Structure selon la revendication 7, caractérisée par le fait que les secteurs annulaires présentent en leur zone large une portion découpée (20, fig. 7) ouvrant sur d'autres canaux concernés par le flux admis et évacué par les faces annulaires d'extrémité.

9. Structure selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte à chaque extrémité un embout (21, fig. 8) dont le rebord circulaire (22) s'appuie contre la périphérie des faces annulaires d'extrémité, et dont la surface définit une chambre intérieure débouchant vers l'extérieur par un orifice plus étroit (23).

10. Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les parois de type radial des canaux parallèles sont rectilignes (10A, fig. 6A).

11. Structure selon la revendication 10, caractérisée par le fait que les parois sont inscrites dans des plans radiaux.

12. Structure selon la revendication 10, caractérisée par le fait que les parois sont inscrites dans des plans parallèles deux à deux (10B, fig. 6B).

13. Structure selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que les parois de type radial des canaux parallèles sont ondulées (10C, fig. 6C).

14. Structure selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée par le fait que les parois de type circulaire (11B, fig. 6B) des canaux parallèles sont rectilignes entre deux parois de type radial adjacentes (10B), définissant des contours en ligne brisée.

15. Structure selon les revendications précédentes, caractérisée par le fait que les parois de type circulaire (11C, fig. 6C) sont disposées en quinconce à chaque couple de parois de type radial (10C).

16. Structure selon les revendications 13 et 15, caractérisée par le fait que les parois de type circulaire se raccordent aux parois de type radial ondulées aux sommets des ondulations.

Claims

1. A static monolithic ceramical cylindrical honeycomb structure with large contact surface comprising a plurality of parallel channels defined by walls of the radial type (10) and walls of the circular type (11), in which the channels constitute two groups, each traversed by a fluid, the channels of one of the groups being fitted between the channels of the other group according to an angular shift, the section of the structure comprising an annular zone composed of parallel channels, and a central channel (12), which is obturated by a plug (18) and which permits the admission and/or evacuation of the fluids via selective communications with one or the other of the two groups of channels, characterized in that at each end an end piece (13) obturates the annular zone, and that the walls of circular type (11) of the two groups of parallel channels are inscribed into several cylinders coaxial to said structure.

2. A structure according to claim 1, characterized in that a group of channels presents lateral openings (16, fig. 2) for admission and/or evacuation of the associated flux.

3. A structure according to claim 2, characterized in that the lateral openings open directly against the plane of the end piece (13, fig. 3A).

4. A structure according to claim 2, characterized in that the lateral openings (16B, fig. 4) are situated at a certain distance of the end piece. (13, fig. 3B).

5. A structure according to one of the claims 2 to 4, characterized in that the partitioning between the two groups of channels is such that the flux evacuated by the associated lateral openings (16B) is a filtered part of the flux admitted by the central channel (12), after having traversed said partitioning (fig. 5B).

6. A structure according to claim 1, characterized in that one of the two flux is admitted and evacuated by the central channel, whereas the group of channels associated to the other flux presents lateral openings (16B) for admission and evacuation of said flux (fig. 4).

7. A structure according to claim 6, characterized in that the selective obturation is obtained by a group of radiating annular sectors (19A, 19B, 19C).

8. A structure according to claim 7, characterized in that the annular sectors present in their large zone a cut out portion (20, fig. 7) opening on other channels concerned by the flux which is admitted and evacuated by the annular end faces.

9. A structure according to one of the claims 6 to 8, characterized in that it comprises at each end an end piece (21, fig. 8) the circular rim (22) of which leans on the periphery of the annular end faces, and the surface of which defines an inner chamber opening to the outside via a smaller opening (23).

10. A structure according to one of the preceding claims, characterized in that the walls of radial type of the parallel channels are rectilinear (10A, fig. 6A).

11. A structure according to claim 10, characterized in that the radial walls form radial planes.

12. A structure according to claim 10, characterized in that the walls form planes which are parallel in pairs (10B, fig. 6B).

13. A structure according to one of the claims 1 to 9, characterized in that the radial walls of the parallel channels are corrugated (10C, fig. 6C).

14. A structure according to one of the claims 1 to 13, characterized in that the circular walls (11 B, fig. 6B) of the parallel channels are rectilinear between two adjacent radial walls (10B) and define contours in broken lines.

15. A structure according to the preceding claims, characterized in that the circular walls (11C, fig. 6C) are arranged in a staggered position at each couple of radial walls (10C).

16. A structure according to the claims 13 and 15, characterized in that the circular walls are joined to the radial corrugated walls at the crests of the corrugations.

Ansprüche

1. Statische, monolithische, zylindrische, wabenförmige Struktur mit großer Kontaktoberfläche aus Keramikmaterial, die eine Vielzahl von parallelen, aus radialen (10) und kreisförmigen Wänden (11) gebildeten Kanälen aufweist, in der die Kanäle zwei Gruppen bilden, von denen jede von einem Fluid durchflossen wird, wobei die Kanäle einer der Gruppen zwischen den Kanälen der anderen Gruppe gemäß einer winkelmäßigen Verschiebung verschachtelt angeordnet sind, wobei der Querschnitt der Struktur einen ringförmigen Bereich mit parallelen Kanälen und einen zentralen Kanal (12) aufweist, welcher durch einen Stopfen (18) verschlossen wird und der die Zufuhr und/oder den Abfluß der Fluide durch selektive Verbindungen mit der einen oder anderen Gruppe von Kanälen ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende ein Ansatzstück (13) den ringförmigen Bereich verschließt und daß die kreisförmigen Wände (11) der beiden Gruppen paralleler Kanäle in mehrere zur Struktur koaxiale Zylinder eingeschrieben sind.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von Kanälen seitliche Einlaß- und/oder Abflußöffnungen (16, Fig. 2) für die zugehörige Strömung aufweist.

3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Öffnungen direkt gegen die Ebene des Ansatzstücks (13, Fig. 3A) münden.

4. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Öffnungen (16B, Fig. 4) in einer gewissen Entfernung zum Ansatzstück (13, Fig. 3B) vorgesehen sind.

5. Struktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand zwischen den beiden Gruppen von Kanälen so ausgebildet ist, daß die durch die zugehörigen seitlichen Öffnungen (16B) ausgeschiedene Strömung ein gefilterter Teil der vom zentralen Kanal (12) aufgenommenen Strömung nach Durchqueren der Zwischenwand (Fig. 5B) ist.

6. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Strömungen vom zentralen Kanal aufgenommen und ausgeschieden wird, während die zur anderen Strömung gehörende Gruppe von Kanälen seitliche Einlaß-und Auslaßöffnungen (16A) für diesen Fluß aufweist (Fig. 4).

7. Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Verschluß durch eine Gruppe von strahlenförmigen Kreissektoren (19A, 19B, 19C) erhalten wird.

8. Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreissektoren in ihrem breiten Bereich einen ausgeschnittenen Teil (20, Fig. 7) aufweisen, der sich in Richtung auf andere von der durch die ringförmigen Endflächen eingetassenen und abgeführten Strömung betroffene Kanäle öffnet.

9. Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie an jedem Ende ein Ansatzstück (21, Fig. 8) aufweist, dessen ringförmiger Rand (22) auf dem Umfang der ringförmigen Endflächen aufliegt und dessen Wände eine innere Kammer definieren, die durch eine engere Öffnung (23) nach außen mündet.

10. Struktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Wände der parallelen Kanäle geradlinig sind (10A, Fig. 6A).

11. Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände in radiale Ebenen eingeschrieben sind.

12. Struktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände paarweise in parallele Ebenen eingeschrieben sind (10B, Fig. 6B).

13. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Wände der parallelen Kanäle gewellt sind (10C, Fig. 6C).

14. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Wände (11 B, Fig. 6B) der parallelen Kanäle geradlinig zwischen zwei nebeneinanderliegenden radialen Wänden (10B) verlaufen und im Querschnitt eine gebrochene Linie bilden.

15. Struktur nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Wände (11 C, Fig. 6C) verschachtelt an jedem Paar radialer Wände (10C) angeordnet sind.

16. Struktur nach den Ansprüchen 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Wände an die radialen gewellten Wände an den Maxima der Wellen angeschlossen sind.

Dessins