CH663242A5 - Thermischer isolierkoerper. - Google Patents
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Description
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Isolierkörper mit pulverförmigem Isoliermaterial so weiter zu 20 bilden, dass daraus grosse, leicht handhabbare und bearbeitbare Platten herstellbar sind. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Dabei wird unter dem Begriff «Bienenwabenstruktur»
eine zellförmige Struktur verstanden, bei welcher benach-25 barte Zellen durch eine dünne Membran voneinander getrennt sind. Die Zellen können hexagonal, dreieckförmig oder allgemein vieleckförmig in Grösse und Form ausgebildet sein ; dies ist jedoch nicht wesentlich.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung 30 anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Formen der Bienenwabenstruktur,
Fig. 4 ein Verfahren zur Herstellung des Isolierkörpers, 35 Fig. 5 und Fig. 6 zwei Ausführungsformen des Isolierkörpers,
Fig. 7 ein weiteres Verfahren zur Herstellung des Isolierkörpers,
Fig. 8 ein Verfahren zur Herstellung gebogener Isolier-40 körper,
Fig. 9 eine Platte mit einer einzelnen eingearbeiteten Nut,
Fig. 10 die Platte nach Fig. 9 längs der Nut gebogen,
Fig. 12 die Platte nach Fig. 11 längs der Nuten gebogen.
45 Die Bienenwabenstruktur nach Fig. 1 hat hexagonale,
nach Fig. 2 dreieckförmige und nach Fig. 3 kreisförmige Zellen. Als Material für die Bienenwabenstruktur eignen sich viele Materialien, z.B. Metalle wie Aluminiumfolie, anorganische Materialien wie Keramik oder organische so Materialien wie Kunststoffe, Gewebe oder Papier. Geeignet ist ebenfalls eine Kombination verschiedener Materialien. Falls das verwendete Material eine geringe Eigenfestigkeit hat, kann es durch Kunstharz verstärkt werden. Das Material der Wabenstruktur kann brennbar sein. Der die Struktur ent-55 haltende thermische Isolierkörper ist trotzdem verhältnismässig unbrennbar, wie später im Detail beschrieben werden wird.
Wenn der Isolierkörper örtlich variable Festigkeit aufweisen soll, kann die Grösse der Wabenstruktur oder die 60 Wandstärke örtlich variiert werden.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von plattenför-migen, erfindungsgemässen Isolierkörpern.
Die Wabenstruktur 10 liegt auf einer ebenen, von Formwänden 12 umschlossenen Fläche 11 auf. Isoliermateial 13 65 von etwa dem 5fachen Volumen der Wabenstruktur wird in die Form geschüttet und gleichmässig über die Wabenstruktur verteilt. Das Isoliermaterial wird hierauf durch einen in der Form geführten Kolben 14 in die Wabenzellen
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verdichtet. Durch eine poröse Oberfläche des Kolbens oder durch Öffnungen 15 im Kolben wird die beim Verdichten freigesetzte Luft abgeführt. Bei kleiner Kolbenfläche genügt dazu auch das Spiel 16 zwischen Kolben 14 und Form wänden 12.
Nach der durch den Druck des Kolbens erzielten Verdichtung des Isoliermaterials befindet sich der Kolben nahe der Oberfläche der Wabenstruktur. Nachdem der Kolben zurückgezogen ist, wird der Isolierkörper umfassend die Wabenstruktur und das in ihre Zellen verdichtete Isoliermaterial aus der Form entnommen.
Das allenfalls über die Wabenstruktur vorstehende Isoliermaterial kann, falls erwünscht, durch Bürsten oder Schaben entfernt werden, damit das Isoliermaterial mit der Wabenstruktur bündig ist.
Das pulverförmige Isoliermaterial kann microporös sein. Geeignete Materialien sind z.B. Silicagel, volatilisiertes Siliciumoxid, Kalziumsilikat, Vermiculit, Perlit und pulverförmige Metalloxide, wie Titanoxid oder Aluminiumoxid. Volatilisiertes Siliciumoxid ist eines bei der Herstellung von Fer-rosilicon oder Silicon anfallendes Nebenprodukt. Dabei wird ein Teil des Silicons verdampft und oxydiert. Das volatili-sierte Siliciumoxid wird dann aus den Abgasen des Ofens abgetrennt. Microporöse Materialien sind Materialien mit einer Netzstruktur, in welcher die mittlere Dimension der Zwischenräume geringer ist als die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle des eingeschlossenen Gases, z.B. Luft. Dadurch ist die thermische Leitfähigkeit geringer als die molekulare Leitfähigkeit des Gases, in welchem das Material verwendet wird.
Die Netzstruktur wird innerhalb eines fein aufgeteilten Materials durch Verwendung eines Pulvers mit sehr kleinen Partikeln erreicht, welche in einer Kettenformation aneinander gebunden sind. Ein geeignetes Pulver zur Herstellung dieser Struktur ist fein aufgeteiltes Siliziumoxid in Form eines Siliciumoxid-Aerogels oder pyrogenes Siliciumoxid. Ein alternatives Pulver ist fein aufgeteilter Russ.
Für Hochtemperaturanwendungen kann es zweckmässig sein, das Isoliermaterial für Infrarot undurchsichtig zu machen. Dies kann erreicht werden durch Zugabe von Infrarot absorbierenden oder reflektierenden Materialien zum pulverförmigen Isoliermaterial, wie reflektierende Metallpulver oder Metalloxide, z.B. Manganoxid, Chromoxid, Titandioxid, Eisenoxid, Zirkoniumoxid oder absorbierendem Russ. Es kann wünschbar sein, im pulverförmigen Isoliermaterial Verstärkungsfasern einzuschliessen, vor allem wenn die Zellen der Wabenstruktur über etwa 5 mm Durchmesser aufweisen. Dazu geeignete Fasern sind Keramikfasern, Glasfasern, Baumwolle, Rayon oder andere Synthesefasern, Kohlenfasern oder andere normalerweise für Verstärkungszwecke benützte Fasern. Materialien, die dem pulverförmigen Isoliermaterial zugefügt werden,
müssen mit diesem intensiv vermischt werden, bevor das Gemisch in die Form geschüttet wird.
Wenn das pulverförmige Isoliermaterial microporöse Material umfasst, kann es wünschbar sein, obiges Verfahren abzuändern.
Beispielsweise wird verdichtetes microporöses Siliciumoxid bis zu einer Volumenzunahme von 20% zurückfedern, nachdem der Kolbendruck abgebaut ist. Obwohl also das Isoliermaterial bis auf die Höhe der Wabenstruktur verdichtet wurde, kann das Isoliermaterial nach Druckabbau über die Höhe der Wabenstruktur expandieren, was eine Oberflächenbearbeitung erforderlich macht, wenn das Isoliermaterial mit der Wabenstruktur bündig sein soll. Es wurde gefunden, dass dieses Problem umgangen werden kann,
wenn der Kolben mit einer federnden Schicht 17 beschichtet wird. Diese Schicht 17 deformiert an den Kontaktstellen mit der Wabenstruktur und verdichtet daher das Isoliermaterial bis unterhalb der Oberfläche der Wabenstruktur. Nach Druckabbau expandiert das Isoliermaterial derart, dass seine Oberfläche auf der Höhe oder unterhalb der Oberfläche der Wabenstruktur liegt.
Eine weitere Möglichkeit, das Isoliermaterial bis unterhalb der Oberfläche der Wabenstruktur zu verdichten, besteht darin, auf dem Kolben eine flexible Membran anzubringen, welche mit einem Druckmedium beaufschlagt werden kann. Wenn das Isoliermaterial durch den Kolben bis auf etwa die Höhe der Wabenstruktur verdichtet ist, wird die Membran unter Druck gesetzt, so dass das Isoliermaterial zusätzlich auf ein Niveau unterhalb der Oberfläche der Wabenstruktur verdichtet wird. Die Membran kann aus Gummi oder Kunststoff bestehen und durch Druckluft beaufschlagt sein, die über Öffnungen im Kolben oder Nuten an der Kolbenunterseite geführt wird. Es kann aber auch ein Flüssigkeitspolster fest zwischen Membran und Kolben eingeschlossen sein. Falls erwünscht, kann eine zweite Membran zwischen der Fläche 11 und der Wabenstruktur vorgesehen werden. Wenn auch diese zweite Membran mit Druck beaufschlagt wird, kann die Verdichtung des Isoliermaterials von beiden Seiten der Wabenstruktur erfolgen.
Natürlich ist es auch möglich, beidseitig der Wabenstruktur Kolben vorzusehen. Die Wabenstruktur kann einseitig mit einer Haut versehen werden, bevor das Isoliermaterial eingebracht wird.
Die Auflagefläche 11 für die Wabenstruktur kann perforiert sein, um die bei der Verdichtung freiwerdende Luft abzuleiten oder abzusaugen. Beim Absaugen wird dabei der Verdichtungsprozess unterstützt.
Zweckmässig wird das Isoliermaterial auf eine Dichte von 80 bis 800 kg/m3 verdichtet. Das dadurch erhaltene Produkt ist steif und kann leicht gehandhabt werden. Es kann auf eine variable Dicke bearbeitet, gesägt und gebohrt werden. Die Bearbeitung kann mit mechanischen oder Laser-Schneidwerkzeugen durchgeführt werden. Um zu erreichen, dass bei Durchgangsbohrungen oder eingearbeiteten Profilen relativ glatte Kanten entstehen, kann eine Haut auf eine oder beide Oberflächen der Wabenstruktur aufgebracht werden (Fig. 5 und 6). Die Haut kann an die Wabenstruktur und/oder an das Isoliermaterial angeklebt werden. Die Haut kann aus Metall, Kunststoff, gewobenem oder ungewobenem Tuch oder Papier bestehen. Andere Oberflächenbehandlungen sind ebenfalls möglich, um die Handhabungseigenschaften zu verbessern, beispielsweise die Beschichtung mit Farbe oder Kunstharz.
Wenn die Haut eine steife Platte ist, kann das Produkt direkt beispielsweise als isolierende Wand oder als feuerfeste Türe verwendet werden. Microporöses Siliciumoxid wird normalerweise durch Kontakt mit Wasser erheblich beschädigt, obwohl es manchmal möglich ist, diesem Material durch Behandlung eine gewisse Wasseresistenz zu verleihen. Hohe Wasserresistenz des Produktes wird jedoch erreicht, wenn wasserundurchlässige Häute vorgesehen sind, und wenn das Material der Wabenstruktur wasserundurchlässig ist.
Erfindungsgemässe Isolierkörper sind insbesondere nützlich für leichte, hochfeste thermische Isolierkörper mit sehr niedriger Wärmeleitung. Wärme wird sowohl durch das verdichtete Isoliermaterial als auch durch die Wabenstruktur geleitet. Es ist überraschend, dass die Wände der Wabenstruktur extrem dünn sein können und das Endprodukt trotzdem eine hohe Festigkeit hat. Der Anmelder hat festgestellt, dass dies durch die starre Unterstützung der Zellwände durch das Isoliermaterial bedingt ist. Die hohe Festigkeit beruht also auf dem Zusammenwirken der Wabenstruktur und des Isoliermaterials.
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Es könnte vermutet werden, dass die Zellwände während der Verdichtung des Isoliermaterials kollabieren. Der Anmelder hat jedoch festgestellt, dass während der Verdichtung die Wände der Wabenstruktur durch das Isoliermaterial zunehmend unterstützt und sie deshalb vor dem Knittern bewahrt werden, so dass sehr hohe Verdichtungen möglich sind.
Weil dünnwandige Wabenstrukturen verwendet werden können, ist der durch die Wabenstruktur übertragene Wär-mefluss gering, so dass die Wärmeleitfähigkeit des Isolierkörpers nahezu jener des Isoliermaterials entspricht, zumal wenn schlecht wärmeleitendes Material für die Wabenstruktur verwendet wird. Der Anmelder hat festgestellt, dass der Isolierkörper selbst dann praktisch unbrennbar ist, wenn brennbare Materialien für die Wabenstruktur verwendet werden. Dies trifft vor allem für microporöses Siliciumoxid als Isoliermaterial zu. Wenn die eine Seite des Isolierkörpers befeuert wird, verhindert das Isoliermaterial den Zutritt von Sauerstoff, so dass organisches Material in der Wabenstruktur bloss verkohlt und nur langsam von der befeuerten Oberfläche her oxidiert wird. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Isolierkörpers garantiert normalerweise, dass die kalte Seite des Isolierkörpers unterhalb der Verkohlungsund Oxidationstemperatur verbleibt. Obwohl unter diesem Umständen ein Teil des Isolierkörpers allmählich zerstört wird, hält der Rest noch Stand und bewahrt seine Festigkeit und verhindert den Durchtritt des Feuers. Wenn die Wabenstruktur auf der befeuerten Seite zerstört wird, expandiert das verdichtete Isoliermaterial durch seinen Restdruck und schliesst so die durch das Verschwinden der Wabenstruktur entstandenen Lücken, wodurch der verbleibende Rest der Wabenstuktur geschützt wird.
Fig. 7 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Herstellen von plattenförmigen Isolierkörpern. Die Wabenstruktur 20 liegt auf einem durch Rollen unterstützten Band 21. Isoliermaterial 23 von etwa dem 5fachen Volumen der Wabenstruktur wird auf diese geschüttet, während die Wabenstruktur durch das Band 21 bewegt wird. Bei dieser Bewegung wird das Isoliermaterial durch ein weiteres, durch Rollen 25 unterstütztes Band 24 in die Zellen der Wabenstruktur verdichtet. Das Band 24 ist gegenüber dem Band 21 geneigt, um das Isoliermaterial zunehmend zu verdichten. Es ist auch möglich, das Isoliermaterial zwischen einem einzigen Rollenpaar anstelle der vielen Rollenpaare in Fig. 7 zu verdichten, wobei die Bänder entfallen. Das Band 21 könnte auch durch eine glatte Platte im stromaufwärtigen Bereich ersetzt und das Band 24 weggelassen werden.
s Es ist auch möglich, das Isoliermaterial durch Vibration in die Zellen zu verdichten.
Kreisförmige, halbkreisförmige oder gebogene Platten können durch Abrollen über einer Walze 33 geformt werden, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Dabei wird die Platte 30 durch Rollen 31,32 gegen die Walze 33 gedrückt. Die Krümmung der Platte wird aufrecht erhalten, indem eine Haut oder eine zusätzliche Haut auf ihre radial innere Seite aufgebracht wird. Die Haut sollte, zumindest nachdem sie aufgebracht ist, im wesentlich längs-steif sein. Solche gebogenen Platten können auch dadurch hergestellt werden, dass die Wabenstruktur zwischen den Rollen 31,32 und der Walze 33 verformt wird und anschliessend das Isoliermateial in die Zellen der Wabenstruktur verdichtet wird. Die Haut kann dabei entweder vor oder nach dem Verdichten auf die radial innere Seite aufgebracht werden
Als Alternative zu den zwischen Rollen und Walzen geformten gekrümmten Platten kann die Krümmung auch dadurch angenähert werden, dass mindestens die untere Seite der Platte mit einer flexiblen Schicht, z.B. aus Glasfasermaterial versehen wird, wie dies in Fig. 9 und 10 dargestellt ist. Die obere Oberfläche kann ebenfalls mit einem solchen Material beschichtet werden. Eine beinahe durchgehende V-Nut 41 wird in die obere Seite eingefräst. In Fig. 10 ist diese Platte längs dieser Nut gebogen und hat V-Form. Sie kann z.B. zum Isolieren von dünnen Rohren verwendet werden. Falls erwünscht, kann in der Nut ein Bindemittel aufgebracht werden, um sie in ihrer Form zu bewahren.
Die in den Fig. 11 und 12 gezeigte Platte 42 ist ähnlich der in den Fig. 9 und 10 dargestellten, nur dass hier mehrere Nuten 43 (3 im gezeigten Beispiel) von der oberen Oberfläche her in die Platte eingearbeitet sind. Wenn die Platte nach Fig. 11 längs der Nuten 43 gebogen wird (Fig. 12), entsteht eine bessere Annäherung an eine gekrümmte Form, wie durch Vergleich der Fig. 10 und 12 ersichtlich ist. Eine Oberflächenbehandlung oder Verleimung analog jener im Zusammenhang mit den Fig. 9 und 10 erwähnten kann auch beim Beispiel nach Fig. 11 und 12 vorgesehen werden.
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3 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Thermischer Isolierkörper, dadurch gekennzeichnet, dass er eine verstärkende Bienenwabenstruktur (10) und ein pulverförmiges, in die Zellen der Wabenstruktur (10) verdichtetes Isoliermaterial (13) aufweist.
2. Isolierkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einseitig oder beidseitig eine mit der Wabenstruktur ( 10) und/oder dem Isoliermaterial verbundene Haut (18) aufweist.
3. Isolierkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haut (18) aus Metall, Kunststoff, gewobenem oder ungewobenem Tuch oder aus Papier besteht.
4. Isolierkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (10) aus Metall oder einem anorganischen oder organischen Material besteht.
5. Isolierkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (10) aus Papier besteht.
6. Isolierkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Papier mit einem Phenolharz versteift ist.
7. Isolierkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (13) ein microporöses Material, Silicagel, volatilisiertes Silicumoxid, Kalziumsilikat, Vermiculit, Perlit oder ein pulverförmiges Titanoxid oder Aluminiumoxid umfasst.
8. Isolierkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (13) microporöses pyro-genes Siliciumoxid oder ein Siliciumoxid-Aerogel umfasst.
9. Isolierkörper nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (13) ein für Infrarot undurchsichtiges Material umfasst.
10. Isolierkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Isoliermaterial Verstärkungsfasern eingeschlossen sind.
11. Verfahren zur Herstellung des Isolierkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (13) in die Bienenwabenstruktur (10) verdichtet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wabenstruktur (10) und/oder auf das Isoliermaterial ( 13) ein oder beidseitig eine Haut ( 18) aufgeklebt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (10) mit dem Isoliermaterial ( 13) in eine zylindrische, halbzylindrische oder gebogene Form verformt wird und dass die Haut ( 18) auf der radial inneren Seite aufgeklebt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (10) vor dem Verdichten des Isoliermaterials (13) in eine zylindrische, halbzylindrische oder gebogene Form verformt wird, und dass nach dem Verdichten des Isoliermaterials (13) die Haut (18) auf die radial innere Seite aufgeklebt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine V-förmige Nut (41,43) in eine Seite des Isolierkörpers eingeformt wird welche sich im wesentlichen bis zur auf der andern Seite angeklebten Haut (18) erstreckt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (13) durch eine oder mehrere Rollen (22,25) verdichtet wird.
Handliche Blöcke von thermischem Isoliermaterial wurden schon verschiedentlich aus einer Mischung von feinkörnigem Siliciumoxid und Verstärkungsfasern, allenfalls unter Zusatz eines lichtundurchlässigen Pulvers und/oder eines Bindemittels hergestellt. Die Festigkeit solcher Blöcke hängt von der Materialdichte der Art und Menge des Bindemittels, und der Warmvergütung ab. Ein zusätzlich wichtiger Faktor ist die Art der Verstärkungsfasern. Für Blöcke mit s höchster Festigkeit wurden Asbestfasern verwendet, doch ist die Verwendung von Asbest wegen seiner Gesundheitsschädlichkeit unerwünscht. Trotzdem sind solche bekannten Blöcke zu weich, um in Form grosser Platten gehandhabt zu werden, weil die Biegefestigkeit des Materials zu gering ist io und die Platten leicht abbröckeln oder brechen.
Ein bekannter Vorschlag zur Behebung dieser Mängel bestand darin, die Platten aus thermischem Isoliermaterial beidseitig mit einer schwach haftenden, porösen Haut zu versehen, um zusätzliche Festigkeit zu erreichen. Nach diesem is Vorschlag hergestellte Platten können sehr gut gehandhabt werden, doch sind diese Platten schwierig zu bearbeiten und zu schneiden, weil sich dabei die Haut von den Platten löst.
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