DE1170855B - Masse mit niedriger Waermeleitfaehigkeit zum Fuellen eines evakuierten Isolierraumes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 40S7WW PATENTAMT Internat. Kl.: C 04 b

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 80 b - 9/20

U5591VIb/80b
6. September 1958
21. Mai 1964

Die Erfindung betrifft eine Wärmeisolation, insbesondere eine Pulver-in-Vakuum-Isolation, die gegenüber Druckänderungen weniger empfindlich ist.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine lose, unabgebundene Masse zum Füllen eines evakuierten Isolierraumes mit einem anorganischen, faserigen oder unterteilten Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, wobei innerhalb der Hohlräume dieses Materials ein gepulvertes Material abweichender Zusammensetzung untergebracht ist.

Es ist schon ein wärmeisolierendes Gemisch vorgeschlagen worden, dessen Hauptkomponente, Kieselgur, durch Zumischen von Schlackenwolle daran gehindert wird, bei einen Stoß zusammenzusacken.

Ferner ist bekannt, ein wärmeisolierendes Gemisch zu verwenden, bei dem die Hauptkomponente, Glas- oder irgendeine andere anorganische Faser, mit einem Pulver versetzt wird, das die Wärmestrahlung teils reflektiert, teils absorbiert und so die Isoliereigenschaften der Hauptkomponente verbessert.

Da jedoch an die Isolationstechnik in neuerer Zeit immer höhere Anforderungen gestellt worden sind, erwiesen sich die bisher bekannten Isolationsmischungen als völlig unzulänglich.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Anwendung eines Isolationssystems hoher Qualität, bei dem ein Vakuumraum mit einem Pulver niedriger Leitfähigkeit gefüllt ist, besteht in der Empfindlichkeit des Isolationssystems gegenüber Druckänderungen. Unter Druckempfindlichkeit wird das Ausmaß der Zunahme der Wärmeleitfähigkeit mät steigendem absolutem Druck verstanden. Ein hohes Vakuum ist für eine längere Zeitspanne schwierig aufrechtzuerhalten; tritt auch nur eine leichte Undichtigkeit auf oder sollte das Isolationssystem einen Temperaturanstieg erfahren, erhöht sich der absolute Druck des Systems, und seine Wärmeleitfähigkeit hat das Bestreben, anzusteigen. Dieser Anstieg ist auf die Zunahme der Wärmeleitung durch das restliche Gas im isolierenden Raum zurückzuführen.

Das Entgasen des für die Isolation verwendeten Füllmaterials bei niedrigen absoluten Drücken trägt außerdem zu allmählicher Minderung des Vakuums bei. Atmosphärische Gase und Wasserdampf werden für gewöhnlich auf der ausgebreiteten Oberfläche des Füllmaterials adsorbiert und lassen sich selbst durch eine vorherige Erwärmung der Isolation vor dem Evakuieren nicht vollständig entfernen. Die adsorbierten Gasmoleküle verdampfen von den Oberflächen und rufen einen allmählichen Anstieg des absoluten Druckes des Isolationsraumes und als Folge hiervon Masse mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zum
Füllen eines evakuierten Isolierraumes

Anmelder:
5

Union Carbide Corporation, New York, N.Y.

(V. St. A.)
Vertreter:

ίο Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:
Ladislas Charles Matsch, Kenmore, N. Y.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. September 1957
ao (683 454)

einen Anstieg der Wärmeübertragung durch Leitung durch den Isolierraum hervor.

Bei einigen Anwendungen bei niedrigen Temperaturen wird ein adsorbierendes Material, wie SiIikagel, in den evakuierten Isolierraum zwischen einen Behälter zur Aufnahme von Kühlgut und einem diesen umgebenden äußeren Gehäuse verbracht, um entweichendes Gas zu absorbieren und dazu beizutragen, daß niedrige absolute Drücke aufrechterhalten werden. Adsorbentien haben bei niedrigeren Temperaturen ein höheres Adsorbtionsvermögen und werden daher vorteilhafterweise innerhalb des Isolationsraumes an einer kalten Zone, vorzugsweise in enger Berührung mit dem kalten inneren Behälter, vorgesehen. Wenn jedoch der Behälter von dem Kühlgut geleert ist und sich das Adsorbens leicht erwärmt, wie es bei tragbaren Behältern häufig vorkommt, werden die adsorbierten Gase im Isolierraum freigegeben, und der Druck darin steigt an. Als Folge hiervon nimmt der Wärmeeinstrom zu, und der ganze Behälter wärmt sich bis zu einem unerwünschten Grade auf. Obwohl der Behälter während des Zeitraumes der Wärmeeinströmung leer ist, muß noch eine Abkühlung auf niedrige Temperatur aufgewendet werden, um den Behälter wieder zu kühlen, wenn er erneut in Dienst gestellt wird.

Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn zur Speicherung von verflüssigten Gasen dienende Behälter, die mit Adsorbentien versehen sind, weiten

409 590/462

3 4

Drackschwankungen innerhalb des Flüssigkeitsbehäl- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, in einem

ters unterworfen werden. Bei niedrigen Behälter- Vakuumisoliersystem einen besseren, billigen Isolierdrücken ist die Flüssigkeit verhältnismäßig kalt, und füllstoff mit einer geringen Druckempfindlichkeit vordas dem Behälter im Isolationsraum benachbarte zusehen.

Adsorbens adsorbiert eine Höchstmenge an Restgas, 5 Es wurde festgestellt, daß die Druckempfindlichum einen niedrigen absoluten Druck im Isolations- keitseigenschaften eines billigen, nur geringfügig raum aufrechtzuerhalten. Nimmt der Druck im Flüs- leitfähigen Pulvers oder faserigen Isoliermaterials sigkeitsbehälter wesentlich zu, wie z. B. durch un- in wesentlichem Ausmaß verbessert werden können, vermeidbare Wärmeeinströmung in einen abgedichte- so daß sie sich denjenigen eines feiner unterteilten ten Flüssigkeitsbehälter, steigt die Temperatur der io Isolierpulvers oder isolierenden Fasermaterials klei-Flüssigkeit allmählich an, so daß das Adsorbens zu- neren Durchmessers nähern. Dies wird erreicht, indem nehmend wärmer werden kann. Ein Teil der adsor- ein Vakuumisolationsraum mit einem isolierenden bierten Gase wird dann freigegeben, wodurch der Material niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt wird, Druck im Isolationsraum ansteigt. Wenn das Füll- das mindestens aus zwei Komponenten besteht, wobei material sehr druckempfindlich ist, tritt die Wärme- 15 eine vorherrschende Komponente ein billiges, einströmung in beschleunigtem Ausmaß zu einer Zeit schwach wärmeleitfähiges Material, wie geblähter ein, wenn die größte Isolationswirksamkeit am not- Perlit, oder Fasermaterial, wie Glasfaser, ist, das ein wendigsten sein kann. normalerweise unerwünschtes thermisches Druck-

Es wurde nun gefunden, daß die Druckempfind- empfindlichkeitsverhalten besitzt, und eine andere, lichkeit eines Isolationsmaterials in weitem Ausmaß 20 kleinere Komponente aus einem feiner unterteilten von der Partikelgröße des Isolationsmaterials abhängt. Material, wie Silikaaerogel, mit einer niedrigen Versuche haben ergeben, daß, je feiner die isolieren- Druckempfindlichkeit besteht. Anders als die druckden Partikeln sind, desto niedriger die Empfindlich- empfindlichen Pulverisolationen verhält sich das Isokeit gegenüber Druckschwankungen ist. Für faserige lationsgemisch gemäß der Erfindung praktisch wie Isoliermaterialien werden die Druckeigenschaften 25 feines unterteiltes Isolierpulver. Zur Erläuterung wird durch den Faserdurchmesser beeinflußt, wobei die die Erfindung im Umfang einer Pulverisolation be-Druckempfindlichkeit abnimmt, wenn der Faser- schrieben, doch es versteht sich, daß sie nicht hierauf durchmesser verkleinert wird. beschränkt ist.

Eine Lösung des Problems, günstige Druckeigen- Der hierbei verwendete Begriff »Vakuum« soll sich

schäften zu erhalten, besteht darin, ein isolierendes 30 auf Bedingungen mit unteratmosphärischem Druck Material niedriger Leitfähigkeit zu verwenden, das von praktisch nicht höher als 1000 Mikron Queckaus entsprechenden Körpern kleiner Größe zusam- silbersäule absolut und vorzugsweise unterhalb 100 mengesetzt ist. Im Falle von faserigem Material be- Mikron Quecksilbersäule beziehen, zieht sich die »Körpergröße« auf den Faserdurch- Erfindungsgemäß wird dies unter Vermeidung der

messer und bei Pulvern auf die durchschnittliche Ab- 35 oben geschilderten Nachteile auf äußerst einfache messung der Partikeln. Indessen sind die gegenwärtig Weise dadurch erreicht, daß das zweite Material aus verfügbaren isolierenden Materialien, welche diesen feinunterteilter Kieselerde oder Silikaaerogel bestellt Erfordernissen genügen, für viele industrielle Anwen- und eine mittlere Teilchengröße hat, die kleiner als düngen so teuer, daß sie nicht in Betracht kommen. ein Zehntel des mittleren Faserdurchmessers oder Zum Beispiel hat feinverteiltes Silikaaerogel mit einer 40 eine mittlere Teilchengröße des ersten Materials, in Partikelgröße von 0,015 Mikron annähernd ein jedem Falle aber nicht größer als 0,1 Mikron ist. Zehntel der Druckempfindlichkeit von gröberen Par- Die Erfindung umfaßt auch die Anwendung eines

tikeln aus geblähtem Perlit (10 Mikron Partikel- solchen Füllmaterials für ein Isoliersystem mit einem größe) zwischen den vorbestimmten absoluten Drük- evakuierten Raum bei einem Druck von nicht mehr ken von 150 und 200 Mikron Quecksilbersäule. Die 45 als 1000 Mikron Quecksilbersäule. Kosten des Silikaaerogels liegen jedoch annähernd Das gemäß der Erfindung zur praktischen Anwen-

15mal höher als diejenigen des Perlits. Dieselben nung gelangende grobe isolierende Füllmaterial kann Verhältnisse herrschen bei faserigen isolierenden Ma- als Grundlage ein Füllpulver mit verhältnismäßig terialien, deren Kosten mit abnehmendem Faser- großen Partikeln, wie geblähter Perlit oder andere, durchmesser unverhältnismäßig stark ansteigen. Es 50 ähnliche billige isolierende Pulver, aufweisen, die eine würde vergleichsweise teuer sein, das Mahlen eines hohe Druckempfindlichkeit besitzen und deren Aufgroben isolierenden Pulvers in Erwägung zu ziehen, gäbe es ist, den Isolationsraum mit billigem Isolierum den Bereich feiner Partikelgröße zu erzielen, der material auszufüllen. Vorzugsweise besteht die zweite erforderlich ist, um die Druckempfindlichkeit be- Komponente aus einem feinen Pulver, das zwischen merkenswert zu verbessern. Außerdem kann ein iso- 55 5 und 40% des Gesamtvolumens des groben Matelierendes Material, wie Silikaaerogel, nicht auf Par- rials allein bildet.

tikeln von 0,015 Mikron Größe durch Mahlen zer- Das Isoliermaterial mit kleiner Partikelgröße, das

kleinert werden. Hinzu kommt, daß viele isolierende zur Aufbereitung des gröberen isolierenden Füllmate-Materialien in ihrer Struktur entweder porös oder rials verwendet wird, kann z. B. feinunterteilte Kieselhohl sind. Das Zermahlen dieser Stoffe würde aber 60 erde oder Silikaaerogel sein, dessen Aufgabe es ist, ihre physikalischen Eigenschaften beträchtlich die Poren zwischen dem gröberen Material auszuändern, sie überaus dicht machen und dazu führen, füllen, und das hierdurch ein zusammengesetztes Madaß sie Eigenschaften aufweisen, die ihrer normalen terial oder Gemisch schafft, dessen Druckeigenschaf-Klassierung zuwiderlaufen. ten sich denjenigen des feinen Materials allein an-

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, 65 nähern.

ein verbessertes isolierendes Füllmaterial zu schaffen, Für die praktische Durchführung der vorliegenden

das eine günstige Druckempfindlichkeit besitzt und Erfindung sollte die durchschnittliche Körper- oder gleichwohl in der Herstellung verhältnismäßig billig ist. Partikelgröße der groben isolierenden Komponente

mindestens lOmal größer als diejenigen der feinen Komponente sein.

Das grobe Material sollte eine Körper- oder Partikelgröße zwischen 3 und 1000 Mikron und vorzugsweise eine durchschnittliche Körper- oder Partikelgröße zwischen 3 und 10 Mikron aufweisen. Die feine Komponente sollte vorzugsweise nicht größer als 0,1 Mikron sein, damit sie außergewöhnlich gute Druckeigenschaften darbietet und sich selbst in die Poren zwischen die groben Partikeln hineindispergiert.

Die Funktion der feineren Partikeln in den Isolationsfüllstoffen gemäß der Erfindung besteht darin, die großen Hohlräume oder Poren zwischen den gröberen Partikeln auszufüllen, die für gewöhnlich etwa 35% des vom gröberen Material eingenommenen Gesamtvolumens ausmachen.

Da die feinen Partikeln das Bestreben haben, die Hohlräume oder Poren zwischen den gröberen Partikeln auszufüllen, sollte die Zugabe des feinen Materials theoretisch das Gesamtvolumen der Isolation nicht merklich über jenes vergrößern, das von dem gröberen Material allein eingenommen wird. Es tritt jedoch eine leichte Vergrößerung des Volumens ein, wenn die feinen Partikeln zugegeben werden, da mindestens ein Teil der gröberen Partikeln durch die feinen Partikeln getrennt wird. Die Anzahl der Punktkontaktwiderstände gegen den Wärmefluß durch feste Leitung wird hierdurch vergrößert. Dies wiederum führt sekundär zu einer Verminderung der Wärmeübertragung durch feste Leitung und trägt somit zur verbesserten Wirksamkeit der Gemische bei.

Bei diesen Gemischen nach der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Punktkontakte zwischen den gröberen Körpern nach dem Mischen vorzugsweise etwa dieselbe wie vorher, was bedeutet, daß nur eine minimale »Verdünnung« des gröberen Materials durch das teure feine Material stattfinden sollte. Das Ausmaß einer solchen Verdünnung sollte für gewöhnlich maximal in der Größenordnung von 50/0 liegen. Da die Hohlräume oder Poren für gewöhnlich etwa 35% des vom gröberen Material eingenommenen Volumens ausmachen, dürfte es nicht nötig sein, ein Volumen feinen Materials hinzuzugeben, das größer als etwa 40% des groben Materials allein ist.

Um das Wesen, die Auswirkungen sowie die Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung noch umfassender aufzuzeigen, werden folgende Versuchsergebnisse mitgeteilt:

Beipiel I

Ein doppelwandiges Gefäß wurde unter Anwendung eines Pulver-Vakuum-Isoliersystems gut isoliert. Das Pulverfüllmaterial bestand aus geblähtem Perlit mit einer Partikelgröße von annähernd 10 Mikron. Die Zunahme der Leitfähigkeit, die während eines Druckanstieges von 150 Mikron Quecksilbersäule absolut auf 200 Mikron eintrat, betrug 1,11 · 10~⁶ gcal/(sec) (cm²) (°C/cm). Bei einem ähnlichen Versuch mit einer Pulverfüllung gemäß der Erfindung, die aus einem Gemisch aus 85 Gewichtsprozent Perlit und 15,Gewichtsprozent Süikaaerogel (0,015-Mikron-Partikeln) bestand, betrug die Änderung der Leitfähigkeit nur 0,66 · ΙΟ"⁶ gcal/(sec) (cm«) (°C/cm).

Beispiel II

Bei einem Versuch, der gemäß dem im Beispiel I beschriebenen Verfahren durchgeführt wurde, wies eine Pulverfüllung aus Perlit eine 160°/oige Zunahme der Leitfähigkeit während eines Druckanstieges von 0,01 Mikron absolut auf 100 Mikron auf, die 5,37-10-6 gcal/(sec) (cm²) (°C/cm) betrug. Bei einem ähnlichen Versuch ergab eine Pulverfüllung von 85 Gewichtsprozent Perlit und 15 Gewichtsprozent Kieselerde (0,015 Mikron) eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit von nur 60%.

Aus den dargelegten Ergebnissen ersieht man, daß die optimale Verminderung der Druckempfindlichkeit von der Auswahl und dem Verhältnis der für das Isolationsgemisch verwendeten Komponenten abhängt. Die Zugabe einer kleineren Menge feinunterteilten isolierenden Pulvers zu einem gröberen Grundstoff ruft eine bemerkenswert große Verminderung der Gasleitfähigkeit hervor.

Obwohl die Erfindung in Ausdrücken eines Gemisches aus groben und feinunterteilten Partikeln niedriger Leitfähigkeit beschrieben worden ist, versteht sich, daß sie sich auch für ein Gemisch aus Faserkörpern gröberen und feineren Durchmessers ebenso wie als Gemisch aus Faserkörpern gröberen Durchmessers anwenden läßt, in die feinunterteiltes Pulver niedriger Leitfähigkeit eingestreut ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Lose, unabgebundene Masse zum Füllen eines evakuierten Isolierraumes mit einem anorganischen, faserigen oder unterteilten Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, wobei innerhalb der Hohlräume dieses Materials ein gepulvertes Material abweichender Zusammensetzung untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material aus feinverteilter Kieselerde oder Süikaaerogel besteht und eine mittlere Teilchengröße hat, die kleiner als ein Zehntel des mittleren Faserdurchmiessers oder eine mittlere Teilchengröße des ersten Materials, in jedem Falle aber nicht größer als 0,1 Mikron ist.

2. · Masse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus geblähtem Perlit mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 3 und 10 Mikron und feinverteilter Kieselerde oder Süikaaerogel in einer Menge zwischen 5 und 40% des Volumens des Perlits.

3. Vakuumisoliersystem mit einem evakuierten Raum unter einem Druck von nicht mehr als 1000 Mikron Quecksüber, gekennzeichnet durch ein Füllmaterial gemäß den Ansprüchen 1 und 2.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 402 787; österreichische Patentschrift Nr. 158 162.

409 590/462 5.64 © Bundesdruckerei Berlin