DE102016223057B4 - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil mit geringer Bauteildicke, insbesondere als Funktionsraumverkleidung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40), welches sich in einer Erstreckungsfläche (E) erstreckt und orthogonal zur Erstreckungsfläche (E) eine Bauteildicke aufweist, wobei die Abmessung des Bauteils (40) in der Erstreckungsfläche (E) um ein Vielfaches größer ist als seine Dickenabmessung orthogonal zur Erstreckungsfläche (E), wobei das Bauteil (40) ein Vakuum-Paneel (10) mit einer allseits verschlossenen, evakuierten Metallfolienhülle (12) umfasst, welche hochdisperses Keramikpulver (26) umgibt, wobei die Metallfolienhülle (12) zwei in Dickenrichtung (D) mit Abstand voneinander angeordnete Hüllflächenwände (14, 16) aufweist, welche durch einen den Abstand der Hüllflächenwände (14, 16) in Dickenrichtung (D) überbrückenden Randbereich (18) miteinander verbunden sind, wobei jede Hüllflächenwand (14, 16) eine zur jeweils anderen Hüllflächenwand (14, 16) und zum hochdispersen Keramikpulver (26) hinweisende Innenseite und eine von der jeweils anderen Hüllflächenwand (14, 16) und vom hochdispersen Keramikpulver (26) wegweisende Außenseite (14a, 16a) aufweist, wobei wenigstens eine der Hüllflächenwände (14, 16) in wenigstens einem Verformungsabschnitt mit einer, verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, die Oberfläche der Hüllflächenwand (14, 16) vergrößernden Oberflächenstruktur (28) ausgebildet ist, und wobei das Bauteil (40) in dem Bereich des Verformungsabschnitts um wenigstens eine Krümmungsachse derart gekrümmt ist, dass die Hüllflächenwand (14, 16) im Verformungsabschnitt auf ihrer Außenseite (14a, 16a) konvex gekrümmt ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisch isolierendes flächiges Bauteil, welches sich in einer Erstreckungsfläche erstreckt und orthogonal zur Erstreckungsfläche eine Bauteildicke aufweist, wobei die Abmessung des Bauteils in der Erstreckungsfläche um ein Vielfaches größer ist als seine Dickenabmessung orthogonal zur Erstreckungsfläche, wobei das Bauteil ein Vakuum-Paneel mit einer allseits verschlossenen, evakuierten Metallfolienhülle umfasst, welche hochdisperses Keramikpulver umgibt, wobei die Metallfolienhülle zwei in Dickenrichtung mit Abstand voneinander angeordnete Hüllflächenwände aufweist, welche durch einen den Abstand der Hüllflächenwände in Dickenrichtung überbrückenden Randbereich miteinander verbunden sind, wobei jede Hüllflächenwand eine zur jeweils anderen Hüllflächenwand und zum hochdispersen Keramikpulver hinweisende Innenseite und eine von der jeweils anderen Hüllflächenwand und vom hochdispersen Keramikpulver wegweisende Außenseite aufweist.
- Ein solches thermisch isolierendes flächiges Bauteil ist im Markt als „Vakuumisolationspaneel“ oder kurz als „VIP“ bekannt. VIPs finden üblicherweise Verwendung als ebene Isolationsplatten in Kühlschränken oder als ebene thermisch isolierende Platten zur Gebäudeisolation von Bauwerken.
- Vakuum-Paneele mit in einer evakuierten Metallfolienhülle aufgenommenem hochdispersen Keramikpulver gestatten äußerst niedrige Wärmeleitfähigkeitswerte bzw. Wärmedurchgangszahlen bei geringer Bauteildicke von wenigen Millimetern, da einerseits die eigentlich gut wärmeleitende Metallhülle mit sehr geringer Wandstärke in der Größenordnung von weniger als 150 µm ausgebildet ist und da andererseits das zwischen den zwei Hüllflächenwänden angeordnete hochdisperse Keramikpulver einen sehr hohen Wärmeleitwiderstand bzw. einen sehr geringen Wärmeleitfähigkeitswert bzw. eine sehr geringe Wärmedurchgangszahl aufweist. Dies liegt zum einen an der bereits niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Keramik und dies liegt zum anderen an dessen Bereitstellung als hochdisperses Pulver in einer evakuierten Umgebung, so dass die bereits niedrige materialimmanente Wärmeleitfähigkeit von Keramik durch den Wärmewiderstand erhöhende Wärmeleitung über Partikelgrenzen hinweg und durch in Hohlräumen zwischen den Partikeln herrschendes Vakuum weiter reduziert wird.
- Dabei ist mit „Vakuum“ selbstverständlich kein absolutes Vakuum bezeichnet, das technisch ohnehin nicht zu erzeugen ist, sondern vielmehr ein gasarmer evakuierter Zustand, wie er mit den Mitteln des Standes der Technik zur Herstellung von Vakuum-Paneelen bzw. Vakuumisolationspaneelen in an sich bekannter Weise herstellbar ist.
- VIPs werden üblicherweise in ebener Plattenform angeboten, da diese ebene Plattenform besonders einfach und sicher herstellbar ist. Eine Umformung von VIPs zu dreidimensional verformten Körpern ist üblicherweise nicht möglich, da bei einer solchen Umformung die glatten Hüllflächenwände wenigstens bereichsweise einer starken Zugdehnung ausgesetzt würden, was üblicherweise bereits bei geringen Umformgraden zu einem Reißen der dünnen Metallfolie umfassenden Hüllflächenwände führt. Bereits geringste Penetrationen oder Störungen der Integrität der Hüllflächenwand führen zum Versagen des VIP als thermisch isolierendes Bauteil, da zum einen durch die Penetration das Vakuum im Inneren der Metallfolienhülle zerstört wird und zum anderen durch die so entstandene Öffnung in der Hüllflächenwand Keramikpulver aus der Metallfolienhülle austreten kann. Die Metallfolie der Metallfolienhülle kann Teil eines Laminats sein, das zusätzlich zur Metallfolie eine oder mehrere Kunststoffschichten umfassen kann. Die Metallfolie kann zu ihrem Schutz beiderseits durch je wenigstens eine Kunststofffolie bedeckt sein.
- Flächige thermisch isolierende Bauteile in dreidimensionaler Gestalt werden im Automobilbau zunehmend benötigt, um Funktionsräume am Kraftfahrzeug, wie etwa einen Motorraum, thermisch zu isolieren. Hierdurch wird erreicht, dass ein Verbrennungsmotor nach einer Betriebsphase langsamer als ohne Isolierung abkühlt und bei erneutem Start während einer Abkühlphase in kürzerer Zeit auf seine Nennbetriebstemperatur erwärmt wird, in der seine Schadstoffemissionen den jeweiligen Nennwerten entsprechen, die erheblich geringer sind als in einem transienten Kaltstartzustand.
- Zur Motorraumverkleidung oder allgemein zur Funktionsraumverkleidung in Kraftfahrzeugen werden flächige LWRT-Bauteile verwendet, also poröses kompaktiertes thermoplastisch gebundenes Fasermaterial, welches sich aus einem Fasermatten-Halbzeug in Pressformen unter Wärmeeinwirkung gut in dreidimensionale Formbauteile umformen lässt.
- Allerdings geraten Bauteile aus LWRT aufgrund steigender Anforderungen an neu entwickelten Kraftfahrzeugen mitunter an ihre technischen Grenzen: lokal unterschiedliche Kompaktierungsgrade des LWRT-Materials führen zu lokal unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeitswerten in Dickenrichtung durch das LWRT-Material und somit zu lokal unterschiedlichen Isolationswirkungen. Aufgrund des zur Unterbringung von isolierenden Verkleidungsbauteilen zunehmend geringer werdenden verfügbaren Bauraums sind wenigstens lokal höhere Kompaktierungsgrade am LWRT-Bauteil in solchen Bereichen unvermeidlich, in denen am Einbauort im Kraftfahrzeug nur sehr geringer Bauraum zur Verfügung steht. Andere Orte, an denen das Bauraumangebot zur Unterbringung des LWRT-Materials des Verkleidungsbauteils größer ist, können weniger stark kompaktiert sein.
- Die Druckschrift
DE 198 40 990 C1 offenbart eine Brandschutzplatte, bestehend aus zwei einen flachen Raum dicht umgrenzenden Metallblechen und dazwischenliegenden mechanischen Stützen, wobei in dem Raum ein Unterdruck herrscht, und wobei mindestens eines der Bleche außen mit einer Schicht aus einem Stoff beschichtet ist, der bei normaler Betriebstemperatur chemisch oder physikalisch Wasser speichert, das er bei erhöhter Temperatur als Dampf freigibt. - Die Druckschrift
US 2014/0216100 A1 - Mit zunehmender Kompaktierung von LWRT-Material nimmt dessen thermische Isolationswirkung ab. Dies liegt vermutlich an der mit zunehmender Kompaktierung einhergehenden abnehmenden Porosität und der - in diesem Fall gewünschten - abnehmenden Bauteildicke.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisch isolierendes flächiges Bauteil bereitzustellen, welches bei geringer Bauteildicke als dreidimensional geformtes Bauteil eine hohe thermische Isolationswirkung bereitstellt. Das thermisch isolierende flächige Bauteil der vorliegenden Erfindung soll insbesondere bei gleicher Bauteildicke wie ein LWRT-Bauteil einen höheren Wärmedurchgangswiderstand in Dickenrichtung aufweisen oder soll bei gleichem Wärmedurchgangswiderstand in Dickenrichtung eine geringere Bauteildicke aufweisen als ein LWRT-Bauteil.
- „Flächig“ ist ein Bauteil im Sinne der vorliegenden Anmeldung dann, wenn es in seiner Erstreckungsfläche eine wesentlich größere Abmessung aufweist als in seiner zur Erstreckungsfläche orthogonalen Dickenabmessung, also wenn es beispielsweise in jeder von zwei lokal die Erstreckungsfläche aufspannenden zueinander linear unabhängigen Flächenerstreckungsrichtungen wenigstens die zehnfache Abmessung aufweist wie in der zu jeder der Flächenerstreckungsrichtungen orthogonalen Dickenrichtung.
- Als dreidimensional ausgeformt soll das Bauteil gelten, wenn es wenigstens um eine Krümmungsachse gekrümmt ist. Bevorzugt ist es um mehr als eine Krümmungsachse gekrümmt, um komplexe Bauteilgestalten realisieren zu können.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein thermisch isolierendes flächiges Bauteil nach Anspruch 1 sowie eine Verwendung eines thermisch isolierenden flächigen Bauteils nach Anspruch 16. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Die oben formulierte Aufgabe wird von der vorliegenden Erfindung insbesondere gelöst durch ein eingangs erwähntes thermisch isolierendes flächiges Bauteil, bei welchem wenigstens eine der Hüllflächenwände in wenigstens einem Verformungsabschnitt mit einer, verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, die Oberfläche der Hüllflächenwand vergrößernden Oberflächenstruktur ausgebildet ist, wobei das Bauteil in dem Bereich des Verformungsabschnitts um wenigstens eine Krümmungsachse derart gekrümmt ist, dass die Hüllflächenwand im Verformungsabschnitt auf ihrer Außenseite konvex gekrümmt ist.
- Bisher galt es wegen der dabei in der Metallfolie der Hüllflächenwände auftretenden Zugspannungen als nahezu unmöglich, Vakuum-Paneele der genannten Art, also solche aus einer Metallfolienhülle, in welche hochdisperses Keramikpulver in einer evakuierten Atmosphäre eingefüllt ist, in eine dreidimensionale Gestalt zu verformen. Die Erfinder haben jedoch gezeigt, dass durch Veränderung der Oberflächenstruktur wenigstens einer Hüllflächenwand die Umformung eines Vakuum-Paneels bzw. Vakuumisolationspaneels möglich wird. Dabei sollte wenigstens die bei der Umformung eine Zugspannung erfahrende Hüllflächenwand mit der oberflächenvergrößernden Struktur ausgeformt sein.
- Möglich war beispielsweise, VIP-haltige Halbzeuge dreidimensional durch Bildung von Folienscharnieren zwischen mit hochdispersem Pulver gefüllten Halbzeugbereichen umzuformen. Im Gegensatz zu den mit hochdispersem Pulver gefüllten Halbzeugbereichen sind die Halbzeuge im Bereich der Folienscharniere nur durch die wenigstens eine Metallfolie oder wenigstens ein diese enthaltendes Laminat gebildet. Somit weisen die mit Folienscharnieren gebildeten pulverfreien Bauteilbereiche erheblich andere thermische, insbesondere thermisch isolierende Eigenschaften auf als die im Wesentlichen ebenen mit hochdispersem Pulver gefüllten Bereiche.
- Im Gegensatz hierzu kann das thermisch isolierende flächige Bauteil der vorliegenden Erfindung auch in durch Umformung stark gekrümmten Bereichen hochdisperses Keramikpulver zwischen den gekrümmten Hüllflächenwandabschnitten vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Bauteildicke des erfindungsgemäßen thermisch isolierenden flächigen Bauteils von der Bauteilkrümmung im Wesentlichen unabhängig.
- In dem Verformungsabschnitt ist mit der, verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, die Oberfläche der Hüllflächen vergrößernden Oberflächenstruktur eine Verformungsreserve geschaffen, welche bei der Umformung gedehnt werden kann, ohne dass die daraus resultierende Zugspannung in der betreffenden Hüllflächenwand die zulässige Versagensgrenze übersteigt. Durch die Umformung im Verformungsabschnitt wird bei einer auf den Verformungsabschnitt ausgeübten Zugspannung die die Oberfläche vergrößernde Struktur gedehnt und dadurch geglättet, ohne dass hierdurch ein Versagen der Hüllflächenwand zu befürchten wäre. Zugspannungen während einer Biegeumformung treten vor allem an jenen Hüllflächenwandbereichen auf, die nach der Umformung - bei Betrachtung von außen - konvex gekrümmt sind.
- Eine die Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur kann beispielsweise dadurch erhalten werden, dass der wenigstens eine Verformungsabschnitt der jeweiligen Hüllflächenwand, verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, sich zur jeweils anderen Hüllflächenwand hin erstreckende Vertiefungen oder/und von dieser weg erstreckende Vorsprünge aufweist. Bei einer Betrachtung der betreffenden Hüllflächenwand in einem in Dickenrichtung verlaufenden Schnitt weist der Verformungsabschnitt daher in der Schnittebene bevorzugt eine wellenförmige Kontur auf, also eine Kontur mit längs ihres Verlaufs wechselnden Krümmungssinnen.
- Vor der Umformung, also wenn das Vakuum-Paneel als ebene Platte vorliegt, ist die oberflächenvergrößernde Oberflächenstruktur des Verformungsabschnitts bevorzugt gleichmäßig im Verformungsabschnitt ausgebildet. Durch die Verformung, also durch das Biegen des Bauteils um eine Biegeachse wird diese Gleichmäßigkeit der Oberflächenstruktur im ebenen Zustand aufgrund der auftretenden Biegezug- und Biegedruckspannungen zerstört und die Amplitude der wellenförmigen Kontur der mit Zugspannungen beaufschlagten Hüllflächenwand nimmt mit abnehmendem Biegeradius, also mit zunehmender Krümmung der Hüllflächenwand, ab. Dabei ist bevorzugt ein Schnitt durch eine orthogonal zur Biege- bzw. Krümmungsachse verlaufende Schnittebene zu betrachten.
- Mit der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder ein weithin in der einschlägigen Fachwelt bestehendes Vorurteil überwunden. Es herrschte nämlich stets die Vorstellung, dass Vakuum-Paneele nur mit glatten Hüllflächenwänden hergestellt werden könnten, da andernfalls die Metallfolienhülle nicht ausreichend evakuiert werden könnte. Es hat sich nun jedoch gezeigt, dass unter Erhöhung des orthogonal zu den Hüllflächenwänden auf die Metallfolienhülle wirkenden Drucks bei der Evakuierung auch mit wenigstens lokal abweichend von einer glatten Oberfläche strukturierten Hüllflächenwänden eine ausreichende Evakuierung der mit hochdispersem Keramikpulver gefüllten Metallfolienhülle möglich ist. Damit stand der Weg frei, erstens Vakuum-Paneele mit Hüllflächenwänden zu bauen, die wenigstens lokal in einem Verformungsabschnitt eine die Oberfläche der Hüllflächenwand vergrößernde Oberflächenstruktur aufwiesen und trotz der Oberflächenstruktur die für Vakuum-Paneele typischen niedrigen Wärmeleitwerte in Dickenrichtung aufwiesen.
- Und es war zweitens möglich, diese Vakuumpaneele im Bereich der Verformungsabschnitte aus dem ursprünglich ebenen Zustand heraus zu verformen, ohne eine Bauteilbeschädigung oder einen Funktionsverlust zu riskieren.
- Somit sind thermisch isolierende flächige Bauteile mit dreidimensionaler Bauteilgestalt herstellbar, die bei gleichem Wärmeleitwert in Bauteildickenrichtung eine erheblich geringere Bauteildicke aufweisen als bekannte LWRT-Bauteile. Die Bauteildicke des erfindungsgemäßen flächigen Bauteils mit einem Vakuum-Paneel weist bei gleicher Wärmeleitfähigkeit in Bauteildickenrichtung wie ein LWRT-Bauteil nur etwa die Hälfte von dessen Bauteildicke oder weniger auf.
- Ein Vorteil des vorliegend diskutieren erfindungsgemäßen Bauteils liegt darin, dass es ausgehend von einem ebenen Vakuum-Paneel-Halbzeug durch Pressumformen in eine dreidimensionale Gestalt umgeformt werden kann und nicht von vornherein in der benötigten Gestalt hergestellt werden muss.
- Je nach Umformgrad kann es ausreichen, nur eine der Hüllflächenwände mit einem Verformungsabschnitt auszubilden. Bei komplexeren Umformungen um mehrere Krümmungsachsen oder/und bei höheren Umformgraden ist es vorteilhaft, wenn beide Hüllflächenwände je wenigstens einen Verformungsabschnitt mit einer die Oberfläche der jeweiligen Hüllflächenwand, verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, vergrößernden Oberflächenstruktur aufweisen.
- Weiterhin kann es ausreichen, den Verformungsabschnitt nur lokal vorzusehen, während andere Abschnitte einer Hüllflächenwand, welche an den Verformungsabschnitt angrenzen, glatt ausgebildet sind.
- Um ein möglichst ohne zu beachtende Randbedingungen umformbares Vakuum-Paneel-Halbzeug zu erhalten, ist vorzugsweise die gesamte Hüllflächenwand, besonders bevorzugt sind beide Hüllflächenwände, der Metallfolienhülle mit der deren Oberfläche vergrößernden Oberflächenstruktur ausgebildet.
- Eine Hüllflächenwand bzw. ein Abschnitt derselben, gilt dann als „glatt“, wenn für den gesamten Abschnitt gilt, dass die Hüllflächenwand in zwei zueinander orthogonalen Schnittebenen betrachtet, die jeweils in Bauteildickenrichtung verlaufen, eine geradlinige Schnittlinie oder eine Schnittlinie mit über ihre Länge hinweg gleichem Krümmungssinn aufweisen.
- Da bei einer Biegung um eine Biegeachse, welche zu einer Krümmung der Hüllflächenwand um eine Krümmungsachse führt, beide die Bauteil-Biegeachse einfassenden Hüllflächenwände mit Kräften bzw. Spannungen beaufschlagt werden, ist es vorteilhaft, dass dann, wenn sowohl die erste Hüllflächenwand als auch die zweite Hüllflächenwand mit einem Verformungsabschnitt versehen sind, sich ein Verformungsabschnitt einer Hüllflächenwand und ein Verformungsabschnitt der jeweils anderen Hüllflächenwand in Dickenrichtung wenigstens abschnittsweise gegenüberliegen.
- Die oben erwähnten Vertiefungen oder/und Vorsprünge der oberflächenvergrößernden Oberflächenstruktur der den Verformungsabschnitt aufweisenden Hüllflächenwand sind bevorzugt in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Dies erleichtert nicht nur die Herstellung der Hüllflächenwand mit ihrem Verformungsabschnitt, sondern führt auch zu einer nahezu richtungsunabhängigen Verformbarkeit des Verformungsabschnitts. Beispielsweise kann die Hüllflächenwand im Verformungsabschnitt kalottiert ausgebildet sein, also kugelkalottenförmige Vertiefungen und Vorsprünge aufweisen, die in zwei zueinander orthogonalen Flächenrichtungen der Erstreckungsfläche alternierend aufeinander folgen. Dies soll nur ein Beispiel sein. Es kommt auf die Kugelkalottengestalt der Vorsprünge oder/und Vertiefungen nicht unbedingt an. Diese können auch kegelförmig, kegelstumpfförmig oder allgemein polyedrisch oder polyederstumpfförmig ausgebildet sein, um nur einige Alternativen zu nennen.
- Grundsätzlich kann es ausreichen, wenn das thermisch isolierende flächige Bauteil der vorliegenden Erfindung ausschließlich aus einem wie oben beschrieben ausgebildeten Vakuum-Paneel gebildet ist. Allerdings kann es dann erforderlich sein, dass die Metallfolien, welche die Metallfolienhülle bilden, mit größerer Foliendicke ausgebildet sind, etwa mehr als 150 µm oder sogar mehr als 200 µm Foliendicke, um den Hüllflächenwänden eine notwendige Festigkeit und dem Bauteil insgesamt eine ausreichende Formstabilität zu verleihen. Eine bevorzugte Metallfolie ist beispielsweise Aluminiumfolie. Mit dicker werdenden Metallfolie nimmt jedoch die Fähigkeit des Bauteils zu, Wärme längs der Metallfolienhülle von einer Bauteilseite zur anderen zu leiten.
- Es ist daher in vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass auf der Außenseite wenigstens einer Hüllflächenwand wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage vorgesehen ist. Die Kunststoff umfassende Lage kann wegen ihres Kunststoffgehalts in einfacher Weise auf die Außenseite aufgetragen und mit der Hüllflächenwand umgeformt werden. Die Kunststoff umfassende Lage kann dabei wenigstens einem von zwei Zwecken dienen: Sie kann die darunter liegende Hüllflächenwand vor äußeren Einflüssen schützen oder/und sie kann dem Bauteil Steifigkeit bzw. Formstabilität verleihen. Die Metallfolie der Hülle kann dann wegen des Steifigkeitsbeitrags der Kunststoff umfassenden Lage zur Bauteilsteifigkeit dünner ausgebildet werden, etwa mit einer Dicke von unter 100 µm oder sogar von unter 10 µm.
- Die wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage kann je nach Lagengestalt auf die Außenseite der Hüllflächenwand aufextrudiert oder auf diese aufgeklebt sein, erforderlichenfalls unter Zwischenanordnung eines Haftvermittlers.
- Gemäß einem ersten Aspekt dieser vorteilhaften Weiterbildung kann die Kunststoff umfassende Lage eine poröse Lage aus thermoplastisch gebundenem Fasermaterial umfassen oder sein. Das Fasermaterial kann Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, Naturfasern oder/und erst bei höheren Temperaturen als der thermoplastische Binder schmelzende Kunststofffasern umfassen, wie dies von Deckschichten von LWRT-Materialien bekannt ist. Bevorzugt ist der thermoplastische Binderwerkstoff ein Polyolefin, insbesondere Polypropylen. Ein Haftvermittler, welcher auf die Außenseite der die wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage aufweisenden Hüllflächenwand aufgetragen ist, kann daher einen zum thermoplastischen Binderwerkstoff der Kunststoff umfassenden Lage kompatiblen oder identischen Werkstoff aufweisen, um die kunststoffumfassende Lage mit der Außenseite der Hüllflächenwand zu verbinden. Das Fasermaterial ist bevorzugt ein Fasergewirr.
- Zusätzlich oder alternativ kann die Kunststoff umfassende Lage eine massive Kunststofflage umfassen oder sein, beispielsweise wiederum aus Polypropylen oder allgemein aus einem Polyolefin.
- Weiterhin zusätzlich oder alternativ kann die Kunststoff umfassende Lage eine geschäumte Kunststofflage umfassen oder sein, um Gewicht zu reduzieren oder/und um zusätzliche thermische Isolationswirkung zu erzielen.
- Die poröse Lage aus thermoplastisch gebundenem Fasermaterial und die geschäumte Kunststofflage weisen wegen ihrer Porosität bei gleicher Lagendicke ein geringeres Flächengewicht auf als eine massive Kunststoff umfassende Lage gleicher Dicke.
- Bevorzugt ist die Außenseite einer jeden Hüllflächenwand mit wenigstens einer Kunststoff umfassenden Lage versehen.
- Das thermisch isolierende flächige Bauteil kann außerdem im Verbund mit weiterem flächigen Kunststoff umfassenden Material, insbesondere LWRT-Material, verwendet werden. Hierzu kann es beispielsweise einen Kunststoff umfassenden Rahmen aufweisen, welcher sich in wenigstens einer Flächenerstreckungsrichtung der Erstreckungsfläche an die Metallfolienhülle anschließt. Bevorzugt setzt der Rahmen oder das flächige weitere Kunststoffbauteil die Metallfolienhülle in der Anschlussrichtung fort. Der Rahmen bzw. das weitere kunststoffumfassende Bauteil umgibt bevorzugt die Metallfolienhülle längs eines Abschnitts ihres Randbereichs wenigstens teilweise. Besonders bevorzugt ist daran gedacht, dass der Kunststoff umfassende Rahmen die Metallfolienhülle vollständig längs ihres Randbereichs umgibt. Somit können Bereiche eines thermisch isolierenden flächigen Bauteils durch ein Vakuum-Paneel oder wenigstens einen Kern aus Vakuum-Paneel und einen an das Vakuum-Paneel anschließenden Rahmen gebildet sein.
- Bevorzugt umfasst der Rahmen ein thermoplastisch gebundenes Fasermaterial, wobei bevorzugt die massebezogenen Anteile von Fasermaterial und thermoplastischem Bindematerial im Rahmen anders sind als in den oben bezeichnenden Kunststoff umfassenden Lagen, die auf der Außenseite der wenigstens einen Hüllflächenwand angeordnet sein können. Bevorzugt ist der Fasermaterialanteil des Rahmens höher als der auf der Außenseite der Hüllflächenwand aufgetragenen Kunststoff umfassenden Lage. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ das Flächengewicht des Rahmens höher als jenes von einer der Kunststoff umfassenden Lagen.
- Auch das Fasermaterial des Rahmens ist bevorzugt ein Fasergewirr bzw. umfasst ungeordnete Fasern in stochastisch verteilter Orientierung.
- Die zuvor genannte wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage, die auf der Außenseite wenigstens einer Hüllflächenwand angeordnet ist, erstreckt sich dann, wenn das thermisch isolierende flächige Bauteil einen Rahmen aufweist, bevorzugt über die Metallfolienhülle hinaus über den Rahmen und bedeckt auch diesen wenigstens teilweise oder vollständig. Die wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage ist damit auch auf wenigstens einer Außenseite, vorzugsweise auf beiden Außenseiten des Rahmens angeordnet. Bevorzugt weisen das Material des Rahmens und der Kunststoff umfassenden Lage einen kompatiblen oder identischen Kunststoff auf, welcher die Verbindung von Rahmen und kunststoffumfassender Lage erleichtert.
- Bevorzugt sind somit sowohl die Metallfolienhülle als auch der Rahmen zwischen wenigstens zwei Kunststoff umfassenden Lagen angeordnet.
- Das thermisch isolierende flächige Bauteil kann um wenigstens zwei mit Abstand voneinander gelegene oder/und einen Winkel miteinander einschließende Krümmungsachsen gekrümmt sein, beispielsweise durch Pressumformen, so dass das Bauteil als komplexe dreidimensionale Struktur ausgebildet sein kann. Die Krümmungsachsen können parallele Krümmungsachsen sein, wie es beispielsweise bei der Ausbildung von Sicken der Fall ist oder die Krümmungsachsen können windschief zueinander orientiert sein. Krümmungsachsen des Bauteils resultieren üblicherweise aus den Biegeachsen der Biegeumformungsvorgänge während der Herstellung des Bauteils.
- Das thermisch isolierende flächige Bauteil der vorliegenden Anmeldung wird bevorzugt hergestellt, indem ein flächiges ebenes Vakuum-Paneel-Halbzeug, gegebenenfalls zusammen mit einer Kunststoff umfassenden Lage, etwa in Form eines Fasermatten-Halbzeugs aus thermoplastisch gebundenem Fasermaterial in eine Pressform eingelegt wird und die Pressform unter Einwirkung von Wärme geschlossen wird. Die Pressform kann hierzu beheizt oder gekühlt sein. In der Pressform werden bevorzugt Temperaturen erreicht, die über dem Schmelz- oder Erweichungspunkt des thermoplastischen Bindematerials liegen.
- Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die besonders vorteilhafte Verwendung eines thermisch isolierenden flächigen Bauteils, wie sie oben beschrieben und weitergebildet ist, als Wärmeisolationsbauteil in einem Kraftfahrzeug, insbesondere als Motorraumisolationsbauteil.
- Das Keramikpulver im Inneren der Metallfolienhülle kann grundsätzlich ein beliebiges Metalloxid sein. Bewährt hat sich in der Vergangenheit bereits Silikapulver. Aber auch die Verwendung von Magnesiapulver oder/und von Aluminiumoxidpulver ist denkbar.
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt dar:
-
1 eine Draufsicht auf ein Vakuum-Paneel-Halbzeug zur Herstellung eines erfindungsgemäßen thermisch isolierenden Bauteils, -
2 einen Querschnitt durch das Vakuum-Paneel-Halbzeug von1 längs der Schnittebene II-II mit an den Außenseiten angeordneten Kunststoff umfassenden Lagen aus thermoplastisch gebundenem Fasermaterial und -
3 eine perspektivische Teilschnittansicht eines unter Beteiligung des Halbzeugs von2 hergestellten thermisch isolierenden flächigen Bauteils der vorliegenden Erfindung in Form eines Funktionsraum-Isolierungsbauteils eines Kraftfahrzeugs. - In
1 ist ein in Draufsicht dargestelltes ebenes Vakuum-Paneel-Halbzeug allgemein mit 10 bezeichnet. Die Erstreckungsebene des Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 von1 ist parallel zur Zeichenebene von1 , die Dickenrichtung des Halbzeugs 10 ist orthogonal zur Zeichenebene von1 . - In
2 ist ein Schnitt durch das Halbzeug 10 von1 in der zur Zeichenebene von1 orthogonalen Schnittebene II-II in1 dargestellt. - Das Vakuum-Paneel-Halbzeug 10, welches lediglich zur Unterscheidung mit dem später umgeformten dreidimensionalen Zustand in seinem ebenen Ausgangszustand als „Halbzeug“ bezeichnet ist, umfasst eine Metallfolienhülle 12, welche im dargestellten Beispiel zwei im Wesentlichen parallele Hüllflächenwände 14 und 16 aufweist, die in Dickenrichtung D mit Abstand voneinander angeordnet sind, und die durch einen umlaufenden Randbereich 18 verbunden sind. Der Randbereich 18, welcher vollständig um die Hüllflächenwände 14 und 16 umläuft, überbrückt den Abstand zwischen den Hüllflächenwänden 14 und 16 in Dickenrichtung D.
- Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die
1 und2 keine maßstabsgetreue, sondern lediglich eine grobschematische Darstellung des Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 (1 ) bzw. des um Kunststoff umfassende Fasermatten-Halbzeuge 20 und 22 an den Außenseiten 14a bzw. 16a der Hüllflächenwände 14 bzw. 16 erweiterten Halbzeugs 10 (2 ) zeigen. - In an sich bekannter Weise ist die Metallfolienhülle 12 im Randbereich 18 mittels einer entsprechenden thermoplastischen Beschichtung der Metallfolien durch Siegeln verschlossen. Die Siegelnaht kann an allen vier Seiten des Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 ausgebildet sein, wie es in
1 gezeigt ist, oder kann nur an drei Seiten ausgebildet sein, wenn die Metallfolienhülle 12 durch Umschlagen einer Folie gebildet ist. Statt durch Beschichtung mit einem thermoplastischen Siegelwerkstoff, wie etwa einem Polyolefin, und thermisches Siegeln der beschichteten Bereiche kann die Metallfolienhülle auch durch Klebstoffauftrag auf die zu verbindenden Bereiche und anschließendes Verkleben der Bereiche verschlossen sein. - Im Inneren 24 der Metallfolienhülle 12 ist hochdisperses Keramikpulver 26, beispielsweise Silikapulver, unter Evakuierung von Gas aus dem Inneren 24 der Metallfolienhülle 12 aufgenommen.
- Die Metallfolienhülle 12 ist vorliegend aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Aluminiumlegierungen sind zur Bildung der Metallfolienhülle 12 bevorzugt.
- Wie in den
1 und2 angedeutet ist, sind die Hüllfolienwände 14 und 16 mit einer ihre Oberfläche vergrößernden Oberflächenstruktur 28 ausgebildet. Diese umfasst in jeder der Hüllflächenwände 14 und 16 von der jeweils anderen Hüllflächenwand weg vorstehende Vorsprünge 30 und alternierend dazu in einem orthogonalen Raster zur jeweils anderen Hüllflächenwand hin vorstehende Vertiefungen 32. In2 sind der Übersichtlichkeit halber nur etwa die linken 20% der Hüllflächenwände 14 und 16 mit den Vorsprüngen 30 und Vertiefungen 32 dargestellt. - In
1 sind in der Hüllflächenwand 14, auf die der Betrachter der1 blickt, zum Betrachter hin vorstehende Vorsprünge 30 mit durchgezogenen Kreisen gezeichnet und von diesem weg sich erstreckende Vertiefungen 32 sind mit strichlinierten Linien dargestellt. Eine solche Oberflächenstruktur wird üblicherweise durch Kalottieren der Metallfolie erhalten. Durch die Kalottierung wird die Oberfläche der Metallfolienwand 14 gegenüber einer glatten Oberflächenstruktur vergrößert. Dies ist leicht einsichtig, da, um die gleiche Fläche durch die Hüllflächenwand 14 zu bedecken, bei kalottierter Folie mehr Folienmaterial zur Bildung der Hüllflächenwand 14 notwendig ist als bei einer glatten Folie. - Die Kalottierung oder grundsätzlich die oberflächenvergrößernde Oberflächenstruktur 28 der Hüllflächenwände 14 und 16 stellt eine so genannte „Verformungsreserve“ der Hüllflächenwand 14 bzw. 16 bereit, die eine Verformung des Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 durch Biegung um Biegeachsen ermöglicht, ohne dass durch die Biegung des Halbzeugs 10 Versagensgrenzen der Metallfolien der Hüllflächenwände 14 und 16 zugspannungsbedingt überschritten werden.
- In
2 ist an den Außenseiten 14a und 16a jeweils ein Fasermatten-Halbzeug 20 bzw. 22 angeordnet, welches mit den jeweils zugeordneten Hüllflächenwänden 14 bzw. 16 unter Zwischenanordnung eines an sich bekannten Haftvermittlers sowie einer mittels des Haftvermittlers angebundenen thermoplastischen Siegelschicht verbunden ist. Der Haftvermittler und die Siegesschicht sind in2 nicht dargestellt. - Die Fasermatten-Halbzeuge 20 und 22 sind beispielsweise durch Polypropylen gebundene poröse Glasfasergewirrmatten.
- In
3 ist ein teilweise geschnittenes thermisch isolierendes flächiges Bauteil 40 dargestellt, welches unter Beteiligung des lediglich grobschematischen Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 mit an den Außenseiten 14a und 16a von dessen Hüllflächenwänden 14 bzw. 16 angeordneten Fasermatten-Halbzeugen 20 und 22 hergestellt ist. - Das Bauteil erstreckt sich in einer mehrfach gekrümmten Erstreckungsfläche E, deren linear unabhängige Flächenerstreckungsrichtungen E1 und E2, ebenso wie die zu diesen orthogonale Dickenrichtung D, abhängig vom jeweiligen Ort am Bauteil 40 - in einem absoluten Koordinatensystem betrachtet - lokal in unterschiedliche Richtung weisen. Die Flächenerstreckungsrichtungen E1 und E2 spannen an jedem Ort des Bauteils 40 eine Schmiegeebene des Bauteils auf.
- Das Vakuum-Paneel-Halbzeug 10 mit den daran angeordneten Fasermaterial-Halbzeugen 20 und 22 wurde zur Herstellung des Bauteils 40 in eine Pressform eingelegt und unter Einwirkung von Wärme durch Pressdruck entsprechend der vom Presswerkzeug vorgegebenen Formkavität zu dem in
3 in Teilschnitt dargestellten Bauteil 40 umgeformt. Das Herstellungsverfahren kann dabei beispielsweise konkret ein Erwärmen des Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 in einer Heizvorrichtung, beispielsweise Platten- oder Infrarotheizung, über den Schmelzpunkt von thermoplastischem Bindermaterial in den Fasermaterial-Halbzeugen 20 und 22 und ein anschließendes Umformen und Abkühlen in einem Pressformwerkzeug umfassen. Das abgekühlte Bauteil kann dann ohne Verformung durch die Entformungskräfte aus der Pressform entnommen werden. - Das Bauteil weist beispielsweise Sicken 42 auf und weist einen gekrümmten Basisbereich 44 auf. Ebenso sind dreidimensional ausgeformte Randformationen 46 vorgesehen, die der Befestigung des Bauteils 40 an einem Bauteilträger dienen können. Das Bauteil 40 ist eine Funktionsraumisolierung eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise als Teil einer Motorraumverkleidung.
- Ein Bereich 48 des Bauteils 40 ist durch Umformung des Vakuum-Paneel-Halbzeugs 10 der
1 und gebildet worden. An den Bereich 48 schließt sich ein Rahmen 50 an, welcher ausschließlich aus thermoplastisch gebundenen Fasermaterialien gebildet ist. Auch das den Rahmen 50 bildende Halbzeug wurde zusammen mit dem Vakuum-Paneel 10 der1 und2 in der oben genannten Pressform umgeformt. - Eine Lupenvergrößerung A in
3 zeigt einen Schnitt durch den Bereich 48 in einem Abschnitt, in welchem eine Sicke 42 ausgebildet ist. Die Vergrößerung A zeigt einen in Dickenrichtung D zentralen Kern auch hochdispersem Keramikpulver 26, in evakuierter Atmosphäre eingeschlossen zwischen den Hüllflächenwänden 14 und 16. An den Außenseiten 14a bzw. 16a der Hüllflächenwände 14 bzw. 16 sind Deckschichten aus thermoplastisch gebundenem Glasfasergewirr gebildet, welche durch Kompaktierung der Fasermaterial-Halbzeuge 20 und 22 entstanden sind. Die porösen Deckschichten sind mit Bezugszeichen 52 und 54 bezeichnet. Durch die Kompaktierung im Umformschritt sind sie stärker verdichtet als das Fasermaterial-Halbzeug 20 bzw. 22, aus welchem sie hervorgehen. - Im Bereich des Rahmens 50 zeigt die dort abgebildete Lupenvergrößerung B einen Rahmen 50 ausschließlich aus thermoplastisch gebundenen Fasermateriallagen, nämlich aus einer porösen LWRT-Kernlage 56, welche sich zwischen den Deckschichten 52 und 54 erstreckt. Die Deckschichten 52 und 54 erstrecken sich in der Erstreckungsfläche des Bauteils 40 über das Vakuum-Paneel hinaus auch über die LWRT-Kernlage 56 und halten diese zwischen sich.
- Der Verstärkungsfaseranteil in Massenprozent in der LWRT-Kernlage 56 ist vorzugsweise höher als in den Deckschichten 52 und 54. Dafür ist der Anteil an thermoplastischem Binder bevorzugt niedriger. Auch weist die Kernlage 56 in der Regel ein höheres Flächengewicht auf als jede der Deckschichten 52 und 54.
- Der Rahmen 50 kann abweichend von der Darstellung von
3 das Vakuum-Paneel mit der Füllung aus hochdispersem Keramikpulver 26 vollständig geschlossen umlaufend umgeben. - Mit der vorliegend beschriebenen Erfindung ist es möglich, auch komplex ausgeformte thermisch isolierende flächige Bauteile, wie beispielsweise Schalenteile einer Funktionsraumverkleidung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Motorraumverkleidung, bei niedrigen Wärmeleitfähigkeiten und damit hohem Wärmeleitwiderstand mit geringer Wanddicke von weniger als 5 mm auszubilden. Damit ist eine bessere Bauraumausnutzung an Kraftfahrzeugen möglich als mit den thermisch isolierenden flächigen Bauteilmaterialien des Standes der Technik.
Claims (16)
- Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40), welches sich in einer Erstreckungsfläche (E) erstreckt und orthogonal zur Erstreckungsfläche (E) eine Bauteildicke aufweist, wobei die Abmessung des Bauteils (40) in der Erstreckungsfläche (E) um ein Vielfaches größer ist als seine Dickenabmessung orthogonal zur Erstreckungsfläche (E), wobei das Bauteil (40) ein Vakuum-Paneel (10) mit einer allseits verschlossenen, evakuierten Metallfolienhülle (12) umfasst, welche hochdisperses Keramikpulver (26) umgibt, wobei die Metallfolienhülle (12) zwei in Dickenrichtung (D) mit Abstand voneinander angeordnete Hüllflächenwände (14, 16) aufweist, welche durch einen den Abstand der Hüllflächenwände (14, 16) in Dickenrichtung (D) überbrückenden Randbereich (18) miteinander verbunden sind, wobei jede Hüllflächenwand (14, 16) eine zur jeweils anderen Hüllflächenwand (14, 16) und zum hochdispersen Keramikpulver (26) hinweisende Innenseite und eine von der jeweils anderen Hüllflächenwand (14, 16) und vom hochdispersen Keramikpulver (26) wegweisende Außenseite (14a, 16a) aufweist, wobei wenigstens eine der Hüllflächenwände (14, 16) in wenigstens einem Verformungsabschnitt mit einer, verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, die Oberfläche der Hüllflächenwand (14, 16) vergrößernden Oberflächenstruktur (28) ausgebildet ist, und wobei das Bauteil (40) in dem Bereich des Verformungsabschnitts um wenigstens eine Krümmungsachse derart gekrümmt ist, dass die Hüllflächenwand (14, 16) im Verformungsabschnitt auf ihrer Außenseite (14a, 16a) konvex gekrümmt ist.
- Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beide Hüllflächenwände (14, 16) je wenigstens einen Verformungsabschnitt mit einer die Oberfläche der jeweiligen Hüllflächenwand (14, 16), verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, vergrößernden Oberflächenstruktur (28) aufweisen. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Verformungsabschnitt einer Hüllflächenwand (14, 16) und ein Verformungsabschnitt der jeweils anderen Hüllflächenwand (14, 16) in Dickenrichtung (D) wenigstens abschnittsweise gegenüberliegen. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Verformungsabschnitt der jeweiligen Hüllflächenwand (14, 16), verglichen mit einer glatten Oberflächenstruktur, sich zur jeweils anderen Hüllflächenwand (14, 16) hin erstreckende Vertiefungen (32) oder/und von dieser weg erstreckende Vorsprünge (30) aufweist.
- Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (32) oder/und die Vorsprünge (30) in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite wenigstens einer Hüllflächenwand (14, 16) wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage (52, 54) vorgesehen ist.
- Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff umfassende Lage (52, 54) eine poröse Lage aus thermoplastisch gebundenem Fasermaterial umfasst oder ist. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 6 oder7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff umfassende Lage (52, 54) eine massive Kunststofflage umfasst oder ist. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach einem der
Ansprüche 6 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff umfassende Lage (52, 54) eine geschäumte Kunststofflage umfasst oder ist. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach einem der
Ansprüche 6 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (14a, 16a) einer jeden Hüllflächenwand (14, 16) mit wenigstens einer Kunststoff umfassenden Lage (52, 54) versehen ist. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kunststoff umfassenden Rahmen (50) aufweist, welcher sich in wenigstens einer Erstreckungsrichtung (E1, E2) der Erstreckungsfläche (E) an die Metallfolienhülle (12) anschließt, vorzugsweise die Metallfolienhülle (12) längs eines Abschnitts ihres Randbereichs (18) wenigstens teilweise umgibt, besonders bevorzugt vollständig umgibt.
- Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (50) ein thermoplastisch gebundenes Fasermaterial (56) umfasst oder ist. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 11 oder12 , unter Rückbeziehung auf einen derAnsprüche 6 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kunststoff umfassende Lage (52, 54) sich über die Metallfolienhülle (12) hinaus über den Rahmen (50) erstreckt. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach
Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolienhülle (12) und der Rahmen (50) zwischen wenigstens zwei Kunststoff umfassenden Lagen (52, 54) angeordnet sind. - Thermisch isolierendes flächiges Bauteil (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es um wenigstens zwei mit Abstand voneinander gelegene oder/und einen Winkel miteinander einschließende Krümmungsachsen gekrümmt ist.
- Verwendung eines thermisch isolierenden flächigen Bauteils (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Wärmeisolationsbauteil (40) in einem Kraftfahrzeug, insbesondere als Motorraumisolationsbauteil (40).
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