DE19527465A1

DE19527465A1 - Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter für Latentwärmespeicher

Info

Publication number: DE19527465A1
Application number: DE1995127465
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Caps
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Va Q Tec AG
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: DE19527465C2

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen, zerlegbaren, thermisch isolierenden Behälter insbesondere für einen Latentwärmespeicher oder für eine gegebenenfalls thermoelektrisch betriebene Kühlbox, auf der Basis zweier topfförmiger, doppelwandiger, mit Faser- oder Pulvermaterial gefüllter und evakuierter Teilisolationskörper, die einen geschlossenen Iso lationsraum bilden.

Mit vakuumisolierten Umhüllungen lassen sich extrem kleine Wärmeverlustraten bei geringen Isolationsdicken erreichen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die thermische Iso lierung von Latentwärmespeichern, die in Kraftfahrzeugen zur Speicherung der Motor abwärme eingesetzt werden. Während der Startphase kann diese Wärme zur Motor- und Innenraumerwärmung eingesetzt werden. Der von einer Metallhülle umgebene Speicher kern wird in geringem Abstand von einer weiteren, vakuumdichten Schale umgeben. In den evakuierten Zwischenraum können geeignete Abstandshalter eingesetzt sein oder der Zwischenraum kann mit pulverigem oder faserigem Material gefüllt sein. Zu- und Ablei tungsrohre, die den Innenraum des Speichers mit dem Außenraum verbinden, müssen eine gewisse Strecke innerhalb eines isolierten Raumes geführt werden, um Wärmebrücken zu vermindern. Die Fertigung solcher geschlossener Systeme ist sehr aufwendig [siehe z. B. DE 37 25 163 und DE 41 08 227]; der Speicherkern ist nach der Montage des Isolations mantels nicht mehr zugänglich. Bei einem Ausfall der Vakuumisolation muß der gesamte Latentwärmespeicher ausgetauscht werden.

Eine leichte Zugänglichkeit des zu isolierenden Bereichs (Isolationsbereich) kann auch bei anderen vakuumisolierten Vorrichtungen wichtig sein. Eine Möglichkeit, die Zugäng lichkeit des Isolationsbereichs zu erreichen, besteht darin, den Isolationsbehälter mit einer Öffnung zu versehen und diese durch einen vakuumisolierten Deckel zu verschließen. Da aber die aufgrund der Vakuumdichtigkeit notwendigen Umhüllung des Deckels aus Metall besteht, würde dies aufgrund der kurzen Wegstrecke über den Randabschluß von innen nach außen zu einem unakzeptablen Wärmeverlust führen.

Dieser Wärmeverlust wird erfindungsgemäß dadurch unterbunden, daß zwei topfförmi ge, doppelwandige und evakuierte Teilisolationskörper (siehe Fig. 1, nicht maßstabsge recht) verwendet werden, die weit ineinander schiebbar sind und so einen geschlosse nen Raum (3) umgeben. Der Zwischenraum (5) zwischen den begrenzenden Flächen (der Hülle) eines Teilisolationskörpers ist mit einem pulverigem oder faserigem Material gefüllt und evakuiert, die Hülle aus Blech und/oder Metallfolie.

Die äußere Mantelfläche des inneren Teilisolationskörpers (2) muß im wesentlichen die gleiche Form aufweisen wie die innere Mantelfläche des äußeren Teilisolationskörpers (1). Sind die beiden Isolationskörper zusammengefügt, so sollen diese beiden Mantel flächen (4) möglichst bündig aneinander anliegen. Die beiden Mantelflächen bilden eine Wärmebrücke zwischen dem geschlossenen Isolationsbereich und dem Außenbereich. Um die Wärmeverluste möglichst klein zu halten, sollte der innere Isolationskörper über ei ne große Strecke, vorzugsweise mit seiner ganzen Höhe in dem äußeren Isolationskörper stecken. Zudem sollen die gegeneinanderliegenden Mantelflächen (4) aus einem möglichst dünnen metallischen Material, einem Blech oder einer Metallfolie, bestehen. Die Materi alstärke sollte vorzugsweise unter 0,3 mm bleiben. Diese Maßnahme verringert zusätzlich die Wärmeleitung über das Hüllenmaterial. Die restlichen, freiliegenden Mantel-, sowie Deckelflächen können aus Gründen der Stabilität des Isolationssystems auch aus Blech bzw. Metallplatten beliebiger Dicke ausgeführt sein. Die Verbindung der einzelnen Blech teile an den Nahtstellen der Isolationskörper kann über Schweißen, Löten oder geeignete Verklebung erfolgen. Wichtig ist die Vakuumdichtigkeit der Verbindung.

Zu- und Ableitungsrohre (6) zum oder vom Isolationsbereich werden durch einen Hohl raum (7) zwischen dem inneren und dem äußeren Isolationskörper entlanggeführt (siehe Fig. 2). So ist gewährleistet, daß die Rohre über eine möglichst lange Strecke in einem isolierten Raum verlaufen. Innen- bzw. Außenisolationskörper können so geformt sein, daß sie Rohre oder Leitungen, die zwischen ihnen liegen, möglichst eng umschließen (Fig. 3). Die verbleibenden Hohlräume (7) zwischen den Rohren und den Mantelflächen der Iso lationskörper können mit konventionellen Wärmedämmaterialien isoliert sein (z. B. mit PU-Schaum).

Die Füllung des evakuierten Raums zwischen den Wänden des Isolationstopfes muß aufgrund der notwendigen dünnen Blechstärken den atmosphärischen Belastungsdruck aufnehmen können. Es sind eine Vielzahl von Materialien geeignet, die auch unter Druck belastung nach dem Evakuieren geringe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, dazu gehören Pulver, Fasern und auch Aerogele. Getemperte Fasermaterialien sind als Füllung beson ders gut geeignet, da sie zum einen sehr geringe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen (etwa 0,002 W/mK bei 10^-2bar), zum anderen formstabil sind und damit für die Herstellung der Isolationshalbkörper sehr geeignet sind.

Die Evakuierung kann entweder über einen angeschlossenen Flansch oder über ein Röhrchen erfolgen, die am Ende des Evakuierungsprozesses vakuumdicht verschlossen werden. Vorteilhaft ist es, die Evakuierung in einer Vakuumkammer bei erhöhter Tempe ratur durchzuführen und anschließend den Isolationskörper auf geeignete Weise in der Vakuumkammer vakuumdicht zu verschließen. Zur Verbesserung der Vakuumstabilität können Gettermaterialien mit eingesetzt werden.

Der Isolationskörper kann unabhängig von dem zu isolierenden System (z. B. La tentwärmespeicher) hergestellt werden, eine Endmontage ist einfach. Bei geeigneter Größe kann eine Ausführungsform eines Isolationskörpers für verschiedene Systeme rationell eingesetzt werden. Bei Beschädigung kann der Isolationskörper leicht aus getauscht werden. Wegen der leichten Zugänglichkeit des Isolierbereichs kann dieses Konstruktionsprinzip auch effektiv für eine, gegebenenfalls thermoelektrisch betriebene, Kühlbox eingesetzt werden. Aufgrund der geringen Kühlleistung der thermoelektrischen Bauteile muß auch hier auf eine sehr gute thermische Isolation geachtet werden.

Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden in folgenden Beispielen darge stellt.

Beispiel 1

Der Isolationskörper besteht aus zwei zylindrischen Teilisolationskörpern. Der äußere Zylinder hat einen Durchmesser von 20 cm und eine Länge von 40 cm. Die Isolationsstärke am Mantel der beiden Zylinder beträgt 0,5 cm, die Isolationsstärke am Deckel jeweils 1 cm. Die Mantelbleche bestehen aus Edelstahl und haben eine Stärke von 0,2 mm. Die Außenmaße des inneren Zylinders entsprechen den Hohlraummaßen des äußeren Zylinders.

Die Wärmeleitfähigkeit des evakuierten Isolationsmediums ist 0,002 W/mK, Edel stahl hat die Wärmeleitfähigkeit 15 W/mK. Die effektive Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems beträgt 0,0023 W/mK, d. h. der Wärmeübergang über den metallischen Zylindermantel erhöht hier den Wärmeverlust nur um etwa 15% gegenüber dem Verlust über die Isolation.

Beispiel 2

Die Isolationskörper sind quaderförmig und passen ineinander. Die Höhe beträgt 40 cm, Länge und Breite sind 30 cm. Die Isolationsstärke der beiden Teilisolationskörper beträgt an den sich überdeckenden Seitenwänden jeweils 5 mm und an der oberen bzw. unteren Seite 10 mm. Das Hüllenmaterial ist Aluminiumfolie mit einer Stärke von 50 µm.

Die Wärmeleitfähigkeit des evakuierten Isolationsmediums ist 0,002 W/mK, die des Aluminium beträgt 220 W/mK. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium erhöht sich die effektive Wärmeleitfähigkeit des gesamten Isolationssystems durch den Wärmeübergang über die Mantelflächen um etwa 50% auf 0.003 W/mK. Da die Umhüllung jedoch ganz oder zum großen Teil aus Aluminium aufgebaut ist, läßt sich eine leichtgewichtige Konstrukton erreichen. In dieser Ausführung läßt sich die Konstruktion für eine Kühlbox anwenden. Eine konventionelle Isolierung (z. B. PU-Schaum oder Styropor) müßte bei gleichen Wärmeverlusten etwa 10 cm stark sein.

Claims

1. Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter, bestehend aus zwei topfförmigen, dop pelwandigen Teilisolationskörpern auf der Basis eines gasdicht umhüllten, evakuier ten Faser- oder Pulvermaterials, gekennzeichnet dadurch, daß der Innenquerschnitt des einen Teilisolationskörpers in etwa dem Außenquerschnitt des anderen Teil isolationskörpers entspricht, so daß sich beide Teilisolationskörper ineinanderfügen lassen, um einen geschlossenen Behälter zu bilden, und daß mindestens die Man telflächen der Teilisolationskörper, die im geschlossenen Zustand aufeinanderliegen, aus einem dünnen Blech oder einer Metallfolie bestehen.

2. Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das dünne Blech oder die Metallfolie für die Mantelflächen aus Edelstahl oder Aluminium besteht.

3. Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Aluminiumfolie für die Mantelflächen eine Stärke von höchstens 100 µm aufweist und bei geschlossenem Behälter die kürzeste Strecke von der Behälterin nenseite zur Behälteraußenseite über die aufeinanderliegenden Mantelflächen min destens 20 cm beträgt.

4. Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Edelstahlfolie oder das Edelstahlblech für die Mantelflächen eine Stärke von höchstens 0,5 mm aufweisen und bei geschlossenem Behälter die kürzeste Strecke von der Behälterinnenseite zur Behälteraußenseite über die aufeinanderliegenden Mantelflächen mindestens 10 cm beträgt.

5. Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß Zu- und Ableitungsrohre oder Leitungen vom Innenraum zum Außenraum des Behälters zwischen den aufeinanderliegenden Mantelflächen, oder durch geeignete Vertiefungen in diesen Mantelflächen, entlanggeführt werden.

6. Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der verbleibende Zwischenraum zwischen den aufeinan derliegenden Mantelflächen oder zwischen den Mantelflächen und den Zu- und Ab leitungsrohren oder Leitungen mit einem konventionellen Wärmedämmaterial (z. B. PU-Schaum) ausgefüllt wird.