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Wärmeisolierung Es sind schon Isolierschichten bekannt, die aus einem
faserförmigen:, pulverförmigen oder körnigen Material bestehen, in welches eine
oder mehrere, durch Isoliermaterial getrennte, stark wärmereflektierende Folien,
z. B. aus Aluminium, eingebaut sind. Es ist ferner bekannt, Kaliumtitanat in Faserform
als Isolienraterial zu verwenden.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die evakuierten Zwischenräume
.in Behältern., die zur Lagerung und zum Transport von tiefsiedenden verflüssigten
Gasen dienen, mit einem Isoliermaterial auszufüllen, das aus abwechselnden Schichten
eines Fasermaterials, z. B. von Glasfasermatten und von Wärmestrahlen reflektierenden
Folien, besteht.
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Die Erfindung betrifft eine Wärmeisolierung für Temperaturen von 480
bis 1920°C für evakuierte Behälter, die abwechselnde Lagen: von Fasern aus Quarz,
Kaliumtitanat und/oder eines keramischen Materials und. von strahlungsreflektierenden
Metallfolien enthält. Die Isolierung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern
einen Durchmesser von weniger als 20 Mikron haben und daß die Metallfolien für den
Temperaturbereich von 480 bis 945° C aus Kupfer, für den Temperaturbereich von 945
bis 1155° C aus Nickel oder Molybdän und für den Temperaturbereich von 1155 bis
1920° C aus Molybdän bestehen.
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Will man die erfindungsgemäße Isolierung für Zonen verschiedener Temperaturbereiche
verwenden, so kann sie Folien aus verschiedenen, der Temperatur jeder Zone angepaßten
Metallen enthalten.
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An das Metall, aus welchem die strahlungsreflektierenden Folien bestehen,
werden verschiedene Anforderungen gestellt. Es soll sich leicht zu biegsamen festen
Folien verarbeiten lassen; es soll bei den Betriebstemperaturen nicht schmelzen
oder erweichen; es soll bei den in Betracht kommenden Drücken und Temperaturen einen
Druck von weniger als 0,1 Mikron Hg haben; es soll auch bei höheren Temperaturen
ein gutes Reflexionsvermögen und ein niedriges Emissionsvermögen haben.
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Für die praktische Anwendung ist es wichtig, daß das Reflexionsvermögen
auch bei steigender Temperatur nicht wesentlich abnimmt, was bei den meisten Metallen
der Fall ist. Wenn das Metall einen zu hohen Dampfdruck hat, so verändert sich durch
Abdampfen die Oberfläche der Folie und ihr Reflexionsvermögen nimmt ab. Außerdem
kann sichMetall in den kälteren Teilen der Isolierung kondensieren und damit
einen metallischen Wärmeleiter bilden.
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Es wurde gefunden, daß gerade die drei genannten Metalle, Kupfer,
Nickel und Molybdän, diesen Anforderungen entsprechen. Kupfer hat einen Schmelzpunkt
von 1082° C, hat bei Temperaturen unterhalb 945° C .einen Dampfdruck von weniger
als 0,01 Mikron Hg ünd hat bei 480 bis 900° C ein Emissionsvermögen von etwa 0,03
bis 0,05. Nickel hat einen Schmelzpunkt von 1454° C, hat bei Temperaturen unterhalb
1155° C einen Dampfdruck von weniger als 0,01 Mikron Hg und hat bei 945 bis 1155°
C ein Emissionsvermögen von etwa 0,16 bis 0,17. Molybdän hat einen Schmelzpunkt
von 2620° C, hat bei Temperaturen unterhalb 1920° C einen Dampfdruck von weniger
als 0,01 Mikron Hg und hat ein niedriges Emissionsvermögen.
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Andere untersuchte Metalle haben sich nicht bewährt. Silber hat zwar
.ein niedriges Emissionsvermögen, ist aber schwer und teuer. Rhodium wäre an sich
brauchbar, es legiert sich aber mit dem Metall, das mit ihm plattiert ist, und ist
sehr teuer. Legierungen befriedigen nicht, weil sie im allgemeinen ein sehr viel
höheres Emissionsvermögen haben, als ihre Bestandteile. So ist beispielsweise das
Emissionsvermögen einer Bronze mit etwa 90°/o Kupfer, 6,5°/o Aluminium und 2,5 °%
Eisen zwei- bis dreimal höher, als das Emissionsvermögen von reinem Kupfer. Das
Emissionsvermögen einer Nickellegierung mit 2011/o
Eisen ist 50
bis 100% höher, als das Emissionsvermögen von reinem Nickel.
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Die F i g. 1 und 2 zeigen graphisch die Abhängigkeit des Emissionsvermögens
verschiedener Stoffe in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Die Faserstoffe für die Lagen zwischen den strahlungsreflektierenden
Folien bestehen aus Quarz, Kaliumtitanat oder keramischen Werkstoffen. Aus Quarzfasern
mit einem Durchmesser von 0,75 bis 1,0 Mikron lassen sich z. B. geeignete Papiere
mit einer Dicke von etwa 0,026 mm und einem Quadratmetergewicht von 11 g oder mit
einer Dicke von etwa 0,050 mm und einem Quadratmetergewicht von 19 g herstellen.
Etwa in solchem Papier enthaltene Bindemittel können durch Erwärmen auf 150 bis
200° C entfernt werden.
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Aus Fasern von Kaliumtitanat mit einem Durchmesser von etwa 1;0 Mikron
läßt sich unter Zusatz von, 20% Fasern aus keramischem Werkstoff ein Papier mit
einer Dicke von etwa 0,63 mm und einem Quadratmetergewicht von 226 g herstellen.
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Brauchbares Fasermaterial aus keramischen Werkstoffen enthält als
Hauptbestandteile Aluminiumoxyd und Siliciumoxyd, daneben auch noch kleinere Mengen
anderer Stoffe wie Zirkondioxyd, Boroxyd und Natriumoxyd. Ein. Material enthielt
beispielsweise 51,3% Al2O3, 45,4% Si02, 3,4% ZrO2; ein anderes Material 51,2'% A1203,
47,4% SiO2, 0,7% B203, 0,7'°/o Na20. Aus derartigen Fasern mit einem Durchmesser
unter 2,5 Mikron könnte ein Papier mit einer Dicke von etwa 0,125 mm und .einem
Quadratmetergewicht von 37 g hergestellt werden, das einen Schmelzpunkt von 1760°C
und in Luft bei 540° C eine thermische Leitfähigkeit von 240 - 10-0 gcal/ cm sec°
C hatte.
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Der Faserdurchmesser dieser Stoffe soll unter 20 Mikron liegen. Noch
bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn der Faserdurchmesser unter 5 Mikron, vorzugsweise
unter 1 Mikron, liegt.
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Das verwendete Fasermaterial soll bei den Betriebstemperaturen nicht
schmelzen oder erweichen. Sein Dampfdruck soll niedrig sein, und es soll keine flüchtigen
Bindemittel enthalten.
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Die Faserschichten sollen möglichst dünn sein und vorzugsweise aus
vorverdichtetem Papier bestehen, um möglichst viele Metallfolien in einem gegebenen
Raum unterbringen zu können.
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Zur Aufrechterhaltung des Vakuums können bei den in Betracht kommenden
höheren Temperaturen adsörbierende Stoffe in der Regel nicht verwendet werden. Man
kann aber das Vakuum erfolgreich mittels chemischer Getterstoffe, z. B. mit in einer
Kapsel untergebrachtem Pulver aus metallischem Barium, Zirkon oder Titan, halten.
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Verwendet man die erfindungsgemäßen Isolierungen in einen evakuierten
Raum mit einem stärkeren Temperaturgefälle, so können verschiedene Isolierungen
derart kombiniert werden, daß für einen bestimmten Temperaturbereich jeweils die
optimale Isolierung gewählt wird. In der Regel verwendet man hierbei als Fasermaterial
bei Temperaturen bis etwa 1370° C Kaliumtitanat, bei Temperaturen bis 1650° C Quarz,
bei Temperaturen bis 1760° C keramisches Material. Will man evakuierte Räume isolieren,
in denen Bereiche mit Temperaturen unter 480° C vorhanden sind, so können in diesen
kälteren Bereichen aus Isolierungen aus Glasfaserpapier mit Aluminiumfolien angeordnet
sein..
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Beispiel 1 26 Windungen -aus Kupferfolie. mit einer Dicke von 13 Mikron
und Quarzfaserapier mit einem Quadratmetergewicht von 19g wurden spiralig so aufgewunden,
daß auf 1 cm 29 Lagen entfielen. Bei einer Temperatur zwischen 35 und 860° C und
einem Druck unter 1 Mikron Hg wurde ein Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von 4,13
- 10-s gcal/cm sec ° C gemessen. Das Emissionsvermögen der Kupferfolie betrug 0,092.
Etwa 95'% der gesamten Wärme wurden durch Strahlung übertragen.
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Beispiel 2 26 Windungen aus Kupferfolie mit einer Dicke von 13 Mikron
und Quarzfaserpapier mit einem Quadratmetergewicht von 11g wurden spiralig so aufgewunden,
daß auf 7,5 mm 35 Lagen entfielen. Bei einer Temperatur zwischen 30 und 780° C und
einem Druck unter 1 Mikron Hg wurde ein Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von 3,92
- 10-s gcal/em sec °C gemessen.
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Beispiel 3 25 Windungen aus Kupferfolie mit einer Dicke von 13 Mikron
und Papier aus keramischen Fasern mit einem Quadratmetergewicht von 87 g wurden
spiralig so aufgewunden., daß auf 1 cm 22 Lagen entfielen. Bei einer Temperatur
zwischen 30 und 630° C und einem Druck unter 1 Mikron Hg wurde ein Wärmeleitfähigkeitskoeffizient
von 15,4 - 10-s gcal/cm sec ° C gemessen.
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Vergleichsweise hat ein Blatt aus .einem Gemisch von Fasern aus Kaliumtitanat
und keramischem Stoff bei einer mittleren Temperatur von 540° C bei Atmosphärendruck
einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von 124 - 10-s, bei einem Druck unter 1 Mikron
Hg von 45 - 10-0 gcal/cm sec 'C.