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Die Erfindung betrifft eine Formvorrichtung für die Herstellung eines Schaumglaskörpers, wobei feingemahlene Glasrohstoffe und Schaummittel in die Form verbracht werden und darin einem Temperaturverlauf zur Sinterung, zum Aufblähen und zur Verfestigung unterworfen werden, worauf nach Abkühlung eine Entformung folgt. Die Formvorrichtung hat neben der komplementären Struktur, wärmeisolierende Eigenschaften.
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Bereits in der
DE 634405 A ist eine Formvorrichtung erwähnt, in der Schaumglas erzeugt wird.
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Jedoch wird in der
DE 913579 B beschrieben, dass das geschäumte Glas häufig an der Formwand anhaftet und das Ausformen deshalb mühsam ist und dabei häufig Schäden am Schaumglas auftreten.
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In der
GB 622218 A wird vorgeschlagen, die Form mit Aluminiumhydroxiden zu beschichten und sie vor dem Entformen des Schaumglases nochmals durch kurzzeitiges schnelles Erhitzen zu expandieren und so abzulösen, was jedoch nur für die Außenformen möglich ist. Zudem wird zur Erzeugung einer festen Außenschicht eine kurzzeitig schnelle Abkühlung und anschließend langsame Kühlung empfohlen.
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Einen anderen Weg zur Herstellung von Formkörpern zeigt die
DE 2453882 A1 wobei eine Aufschlämmung der Rohstoffe in einer Holzform getrocknet wird und der entstandene Körper nach dem Entformen in einem Ofen gesintert und geschäumt wird. Eine präzise Formgebung ist so wegen der unterschiedlichen Expansion beim Aufschäumen nicht möglich.
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Der
DE 1121758 A ist zu entnehmen, dass die Formvorrichtungen, in denen Schaumglas erzeugt wird, gewöhnlich aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehen, die mit verschiedenen Trennmitteln beschichtet werden. Es werden Kreide, Kaolin, Kolloidgraphit und Ruß genannt, die in Emulsionen aus Wachsen, Fetten oder Ölen oder mit anderen Bindemitteln zum Ausstreichen der Form genutzt werden. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie beim Entformvorgang leicht abblättern und danach unterschiedlich dicke Beschichtungen entstehen, die sowohl beim Aufheizen wie auch beim Abkühlen der Formvorrichtung zu nachteiligen Temperaturübertragungsunterschieden führen, als auch unmittelbar Oberflächenunebenheiten erbringen. Aufgrund der beim Abkühlen nach dem Erstarren des Schaumglaskörpers auftretenden stärkeren Kontraktion der metallischen Form tritt eine enorme Verspannung des Formlings auf, was die Entformung ganz besonders erschwert und eine mehrfache Teilbarkeit der Formvorrichtung erfordert. Dies ist auch ein Grund, dass gewöhnlich nur einfache Körper aus Schaumglas hergestellt werden, wie Platten, Blöcke oder Zylinder. In der hier genannten Patentschrift wird zur Verbesserung der Trennmittel ein Zusatz von Asbestfasern zum Kaolin vorgesehen, wodurch ein sehr dünner elastischer Schutzfilm ausgebildet werden kann, der auch mehrfach erneuert werden kann. Die Verspannung des Formlings beim Abkühlen der Form lässt sich allerdings auch damit nicht vermeiden. Der Einsatz von Asbestfasern ist gesundheitsschädlich und deshalb heute unzulässig.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2011 008 138 A1 ein Solarenergiekollektor mit einem Schaumglaskörper bekannt, der entweder aus mehreren einzelnen Schaumglasplattenteilen zusammengefügt ist und in den Fluidkanäle maschinell eingearbeitet worden sind oder aus einem vollen Schaumglasblock herausgearbeitet ist, wobei jeweils der Schaumglaskörper mit einer transparenten Doppelverglasung mit beabstandeten und von einem Rahmen umschlossenen Scheiben abgedeckt ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2005 052 380 A1 bekannt, aus Natriumaluminat hochporöse Formkörper herzustellen, die Alkalidämpfen und Schmelzen widerstehen, also sich zum Formenbau prinzipiell eignen würden. Die geringe Wärmeleitung des Wärmedämmstoffes ist dann von Vorteil, wenn NE-Metalle durch Rinnen oder Rohre hindurchgeleitet werden, da ein Seigern oder Erstarren der Schmelze ausbleibt. Ein Schäumen von einer Glasschmelze ist nicht vorgesehen, da die hohe Wärmedämmung des Werkstoffes ein schnelles Erwärmen sowie Abkühlen des Materialeinsatzes in einer Form aus solchem hochporösen Material verhindern würde.
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Weiterhin ist aus der
WO 97/ 36 835 A1 das Schäumen von schwarzem Schaumglas in einer Form bekannt, die einen Aufnahmeraum für eine Platte mit darauf befindlichem umlaufenden Rahmen und dazwischen liegenden abgeschrägten pyramidenförmigen Rippen enthält, so dass darin ein Schaumglaskörper mit Vertiefungen entsteht. Dieser ist als Schleifkörper einzusetzen, wozu ein abrasives Material zum Einsatz kommt und die Abmessungen handlich
.sind. Die Form besteht aus Glas oder Keramik und soll möglichst schnell dem schäumenden Glas Wärme zuführen, damit es sich beim Schäumvorgang nicht selbst isoliert, was zu Inhomogenitäten führen würde. Ein Wärmedämmmaterial ist demnach für die Form als ungeeignet zu betrachten.
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Weiterhin sind aus der
DE 10 2009 055 723 B1 und der
WO 2011/ 063791 A1 hochporöse Erdalkalialuminate bekannt, aus denen Formkörper erstellt wurden, die bei Temperaturen bis 1300 °C beständig sind und eine hohe Alkalibeständigkeit aufweisen, also sich ebenfalls zum Formenbau prinzipiell eignen würden.
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Weiterhin ist aus der
WO 2011/ 085 723 A1 ein Hybridwerkstoff aus Calcium-Silikat-Hydrat mit bis zu 40 Gew.-% Kohlenstoffeinlagerung bekannt, der zu Formteilen für das Strang-, Druck- oder Formgießen von NE- Metallen, Gläsern und Kunststoffen zu verarbeiten ist, wobei diese Formteile hochgradig selbstschmierend und durch die NE-Metall-Schmelzen sowie Fremd- und Gleitmittel allenfalls geringfügig infiltrierbar sind.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 263 436 B1 bekannt, Calciumhydrosilikat, insbesondere Calciumsilikat zu Formkörpern mit einer Rohdichte zwischen 0,15-0,6 g/cm
3 zu verarbeiten, die bis zu 1100 °C temperaturbeständig sind, sich prinzipiell also zum Formenbau eignen würden. Die Temperaturbeständigkeit wird durch thermische Konditionierung nach der hydrothermalen Härtung und Trocknung erreicht.
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Die vorgenannten hochtemperaturfesten Stoffe sind alle hochporös und deshalb als Wärmedämmstoffe im Einsatz. Zum Bau von Formen, in denen der Inhalt aufgeheizt oder abgekühlt werden muss, wurden sie nie in Betracht gezogen, da die langen Prozesszeiten dagegen sprachen.
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Es ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung einen Sonnenenergiekollektor, der aus einem Schaumglaskörper, der Fluidkanäle enthält, und mit einer transparenten Doppelverglasung mit beabstandeten Scheiben zusammengefügt ist, zu verbessern und zu vereinfachen.
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Die Lösung besteht insbesondere darin, dass der Schaumglaskörper geschlossenporig, dampfdicht und einteilig ist.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Formvorrichtung zu offenbaren, mit der bei einfacher Handhabung tiefenstrukturierte geschlossenporig und somit praktisch dampfdichte Schaumglaskörper einteilig formgetreu gefertigt werden können, so dass sie auch ohne Nacharbeit gegebenenfalls mit anderen Bauteilen passend zusammengefügt werden können.
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Hierfür besteht die Lösung darin, dass die eingangs bezeichnete Formvorrichtung komplementär zum zu erzeugenden Schaumglaskörper aus hochtemperaturfestem, porösem, hydrothermal gehärtetem und thermisch konditionierten Silikat- und/oder Aluminatwerkstoff ausgebildet ist, und vorteilhaft kann diese mit Trennmitteln wie Kaolin, Gips, Ruß, Bornitrid, oder deren Gemischen ausgerüstet und geglättet werden und/oder es können ergänzende Substanzen zum Modifizieren der Schaumglasoberfläche verwendet werden. Bevorzugte Erzeugnisse aus Schaumglas sind Grundkörper für Sonnenenergiekollektoren und auch Füll- und Abdichtbaugruppen, wofür passende Formvorrichtungen benutzt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und Nebenansprüchen angegeben.
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Als Formwerkstoff werden vorzugsweise die zum Stand der Technik benannten hydrothermal hergestellten temperatur- und alkalifesten Stoffe eingesetzt, wie Calciumsilikat, Calciumsilikathydrat, Alkali- oder Erdalkalialuminat und Alkali- oder Erdalkalialuminathydrat und/oder aus deren chemischen Verbindungen eine Kombination aus Mischkristallen. Diese können als Matrix fungierend Kohlenstoff enthalten, der als Trenn- oder Schmiermittel wirkt. Eine Formvorrichtung lässt sich vor dem Härten und thermischer Nachbehandlung wie Brennen sowohl als ungehärteter oder ungebrannter Negativkörper leicht herstellen und auch aus einem Rohling herausarbeiten. Besonders einfach ist es, einen Referenzkörper im Rohmaterial abzuformen. Auf diese Weise lassen sich viele Formvorrichtungen in immer gleicher Gestalt bauen. Da der Formwerkstoff hauptsächlich Druckbelastungen aufnimmt, verformt er sich bei dem Sinterprozess und Schäumvorgang der Glasmasse nur geringfügig. Beim späteren Abkühlen entstehen und verbleiben praktisch keine Spannungen, da das Schaumglas dabei leicht schrumpft.
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Die wärmedämmende Eigenschaft des Formwerkstoffes sorgt für eine sehr gleichmäßige Aufheizung und insbesondere Abkühlung, wodurch sich in der Glasmasse ein weitgehend homogener Sinter- und Schaumprozess abspielt und eine spannungsfreie Abkühlung einen formgetreuen und rissfreien Schaumglaskörper entstehen lässt. Der Sinter- und Schaumvorgang wird in elektrisch- oder gasbeheizten Durchlauföfen, Chargenöfen und/oder mittels Mikrowellen realisiert.
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Ein weiterer Vorteil der neuartigen Formvorrichtung ist es, dass sie wegen der Porosität des Formwerkstoffes problemlos erforderlichenfalls mit Trennmitteln wie Kaolin, Gips, Ruß, Bornitrid, oder deren Gemische ausgerüstet und geglättet werden kann. Weiter werden ergänzende Substanzen als Trennmittel verwendet, die die Schaumglasoberfläche modifizieren, so dass beispielsweise eine höhere Resistenz gegen Frostschutzmittel erreicht wird. Die Oberfläche wird weiter geglättet und chemisch inert gemacht, z.B. durch Aluminiumsalze. Ein Abplatzen ist beim Ausformen des Schaumglaskörpers praktisch ausgeschlossen. Auch ein wiederholter Trennmitteleinsatz ist problemlos möglich.
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Die Formvorrichtung lässt sich durch Nachbearbeitung der Formenkonturen mehrfach wiederaufarbeiten. Der Formwerkstoff lässt sich restlos recyceln, indem er gemahlen, nass aufbereitet, geformt, hydrothermal gehärtet und thermisch konditioniert wird.
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Die Formvorrichtung besteht zweckmäßig aus mindestens zwei Schalen, die in einer Stützkonstruktion gegen den inneren Schaumdruck des Glases zusammengepresst und/oder mittels lösbarer Schraubenverbindungen zusammengehalten werden. Durch den Widerhalt in der Formvorrichtung werden die Formdetails in der Schaummasse klar abgegrenzt abgeformt.
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Schaumglas hat wegen seiner dichten Oberfläche und seines geringen Gewichtes, seiner Feuerfestigkeit sowie seiner sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von 0,038-0,055 W/(m·K) ein hohes Einsatzpotential, das durch die neuartig vielfältige Gestaltungsmöglichkeit mit sehr preiswerten Formvorrichtungen erheblich erweitert wird. So lassen sich nicht nur der beispielhaft ausgeführte Sonnenenergiekollektor, sondern auch Bauteile zum Schall-, Wärme- und Brandschutz, insbesondere im Fahrzeug- und Schiffbau sowie im Flugzeugbau wegen des geringen Gewichts und der Möglichkeit die Form jedem Freiraum und Winkel oder jeder Ummantelung von Aggregaten anzupassen, günstig herstellen. Dadurch werden beispielsweise die bisher üblichen Päckchen mit Glasfasern im Flugzeugrumpf ersetzt und die Brandgefahr und das Entstehen von giftigen Brandgasen vermieden.
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Die Eignung von Füll- und Abdichtbaugruppen zur Verringerung der Brandgefahr ergibt sich ganz besonders auch aus der Nachbläheigenschaft von Schaumglas, sobald dieses in seinen Erweichungsbereich erwärmt wird. Dadurch findet eine vollständige Abdichtung durch den sich vergrößernden Blähkörper statt. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft bei Auskleidungen und Abdeckungen sowie Mauerdurchgangssperren in Bauwerkskanälen, insbesondere Kabelkanälen, die ansonsten die gefährlichsten Brandausbreitungswege bilden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, durch die neue Formvorrichtung vorteilhafte neue Erzeugnisse mit deutlich komplexeren Strukturen gegenüber einfachen Platten und/oder Blöcken zu gestalten.
- 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Formschale 1a mit ihrem Längs- und Querschnitt A-A und B-B. Zudem ist die weitere darauf passende Formschale 1b jeweils beabstandet zu dem Längs- bzw. Querschnitt dargestellt.
- 2 zeigt eine weitere Ausführung einer Formschale 2a mit ihrem Längs- und Querschnitt A1-A1 und B1-B1.
- 3 zeigt einen thermalen Sonnenenergiekollektor.
- 4 zeigt einen kombinierten Kollektor, in welchem elektrosolare und thermale Energie aus der Sonnenenergie gewonnen wird.
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Zu 3 sind die Leitwandungen 6 der Fluidrinne mit etwa 20° geneigten Ausformschrägen ausgebildet. Die schrägen Flanken erfassen das Sonnenlicht verstärkt bei schrägem Lichteinfall. In 4 sind die Flankenübergänge zur Unterplatte gerundet, wodurch sowohl die Formherstellung und das Ausformen des Formlings erleichtert als auch die Lebensdauer der Form verlängert ist. Auch wird die Fluidströmung und Wandkontaktierung und damit die Wärmeübertragung verbessert. In 4 ist die Solarzellenanordnung 10 zwischen den beiden Scheiben 8a und 8b angeordnet, wobei ein möglichst enger Kontakt mit Wärmeübergang zu der inneren Scheibe 8a hergestellt ist.
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Die in 1 dargestellte Formvorrichtung weist eine relativ lange Fluidrinnenstruktur durch entsprechende Ausgestaltung der Leitwandungsformrinnen 6* auf. Die komplementären Strukturen in der Form sind jeweils mit der gleichen Referenz und einem Stern bezeichnet, wie in der Referenzzeichenliste angegeben ist.
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Am Beispiel eines nach der
DE 10 2011 008 138 A1 funktional gestalteten Sonnenenergiekollektors gemäß
3 und
4 sei hier gemäß
1 und
2 eine Formvorrichtung für den aus Schaumglas nunmehr einstückig hergestellten Grundkörper
2 vorgestellt. Der Sonnenenergiekollektor
3 besteht aus einer aus schwarzem Schaumglas gebildeten Unterplatte
4, die obenseitig einen umlaufenden Rahmen
5 und innerhalb von diesem, eine Fluidrinne bildende Leitwandung
6 trägt, die neben einem Zulaufbereich beginnt und neben einem Ablaufbereich endet. Diese Aufbauten sind einstückig mit der Unterplatte
4 geschäumt. Über den Rahmen
5 und die Leitwandung
6, die die mäanderförmige Rinne oder parallel verlaufende Rinnen begrenzen, liegt eine transparente Abdeckung, so dass darüber ein Fluid Solarwärme aufnehmen kann, die vom Schwarzglas absorbiert wird. Zur Komplettierung der Wärmeisolation werden der Rahmen
5 und die Leitwandung
6 mit einer transparenten Doppelverglasung
8a,
8b dicht abgedeckt.
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In einer ersten Kollektorversion in 3, die nur Wärmeenergie sammelt, sind die beiden Glasscheiben 8a, 8b auf Rahmenstufen 9a, 9b aufgekittet, so dass zwischen ihnen ein mit Schwergas befüllter Hohlraum eine Wärmekonvektion auf die äußere Umgebung behindert.
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In einer zweiten Kollektorversion in 4 wird zwischen den beiden Glasscheiben eine Solarzellenanordnung 10 platziert, die einen spektralen Teilbereich der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie wandelt. Hierbei können die beiden Glasscheiben die Solarzellen direkt einschließen. Rahmenstufen entfallen dabei.
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Da die Solarzellen engen Kontakt zu der Scheibe haben, die an das Wärmetransportfluid grenzt, wird sie gekühlt, wodurch ihr Wirkungsgrad bekanntlich steigt und ihre Alterung erheblich verlangsamt wird. Beispielsweise ist bei Dickschichtsolarzellen bekannt, dass sich der Wirkungsgrad um 5 % je 10 K Temperaturabsenkung erhöht.
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Der Fluidkreislauf im Kollektor verringert zudem die Brandgefahr der elektrischen Kollektoren.
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Die Formvorrichtung besteht aus zwei Formschalen 1a, 1b, von denen die eine komplementär die Rahmen- und Fluidleitstruktur mit den Leitwandungen trägt und die andere die Unterplatten aufnimmt, deren Dicke so gewählt ist, dass der wärmeabsorbierende Bereich zur sonnenabgewandten Unterseite weitgehend isoliert ist. Die Strukturen sind mit Ausformschrägen ausgebildet und am Grund abgerundet. Das Schaumglas wird auf eine Porosität von 95 % aufgeschäumt und weist eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,038 bis 0,055 W/(m·K) auf. Die Poren sind geschlossen, somit ist es praktisch dampfdicht. Der Rohstoff ist überwiegend aufgemahlenes Altglas; die Schäumung und Schwärzung erbringt Ruß oder ähnlicher Kohlenstoffzusatz durch die Oxidation mit Sauerstoff. Vorteilhaft ist es, wenn die äußere Schicht der Unterplatte 4 mit Carbonaten zu weißen Schaumglas geschäumt wird, um die Wärmeabstrahlung im sonnenabgewandten Bereich zu verringern und gleichzeitig eine Rückreflexion in den Kollektor zu erzielen.
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Defekte Sonnenenergiekollektoren der vorbeschriebenen Art lassen sich vollständig recyceln, gegebenenfalls sind nur die Solarzellen abzunehmen. Das Schaumglas und die Doppelverglasung lassen sich neu aufmahlen und neu schäumen bzw. verschmelzen.
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Versuche haben gezeigt, dass die Wandstärke der Formschalen zweckmäßig überwiegend 15 bis 50 mm beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formvorrichtung; 1a, 1b Formschalen
- 2a
- Formschale, 2. Art
- 3
- Sonnenenergiekollektor
- 4
- Unterplatte
- 4*
- Ausnehmung für Unterplatte 4
- 5
- Rahmen
- 5*
- Ausnehmung für Rahmen 5
- 6
- Leitwandung der Fluidrinne
- 6*
- Ausnehmung für Leitwandung der Fluidrinne 6
- 7a, 7b
- Zu- und Abflussbereich
- 8a, 8b
- Doppelverglasung
- 9a, 9b
- Rahmenstufen
- 9a*, 9b*
- Ausnehmung für Rahmenstufen 9a, 9b
- 10
- Solarzellenanordnung
