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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein einbaufertiges und präzise platzierbares thermisches Mehrschichtisolationsformteil für ein Heißgas führendes Bauteil (z.B. im Bereich von 750°C, Katalysator) im Bereich der Automobilindustrie, insbesondere für eine Abgasanlage oder Abgasreinigungsanlage eines Verbrennungsmotors. In einer Ausführungsform kann das Mehrschichtisolationsformteil auch verwendet werden als Isolationsendkonus in Abgasreinigungsanlagen, d.h. in Katalysatoren von Verbrennungskraftmotoren. Das erfindungsgemäße Mehrschichtisolationsformteil ist aus mindestens zwei Schichten aus Isolierfasergewebe oder Isolierfaservlies gefertigt. Zwischen diesen Schichten aus Isolierfasergewebe oder Isolierfaservlies ist ein Isolationsmaterial angeordnet.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Heißgas führendes Bauteil, insbesondere für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors oder eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, welche das vorgenannte Mehrschichtisolationsformteil enthält.
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Isolationsmaterialien dieses Typs, die zur Verwendung in Abgasreinigungsvorrichtungen oder für Abgasanlagen eines Verbrennungsmotors allgemein verwendet werden, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise beschreibt die
EP-A-0413998 eine aus einem intumeszierenden Bahnmaterial gebildete Isoliermatte, die direkt um den inneren Teil des Endkonusgehäuses eines Katalysators geformt ist, wobei zwei Enden mittels Band miteinander verbunden sind, um einen Endkonus zu bilden.
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EP 0 980 465 B1 beschreibt einen Zuschnitt, der als Vorform zur Herstellung eines Isolationsendkonus bei Abgasreinigungsvorrichtungen verwendet wird. Der Zuschnitt weist bereits die gewünschte Abmessung auf, hat im Ausgangszuschnitt aber mehrere Schlitze, die eine konusförmige Ausbildung des Bahnmaterials ermöglichen ohne Falten zu werfen. Weiterhin wird gemäß
EP 0 980 465 B1 ein formbeibehaltendes Element, nämlich ein organisches Bindemittel zugesetzt, sodass der Vorformling eine gewisse Formstabilität aufweist.
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Weiterhin sind auch Isolierungen für Heißgas führende Bauteile, insbesondere z.B. für Abgaskrümmer eines Verbrennungsmotors, bekannt, die auch in den vielfältigsten Konstruktionen zum Einsatz kommen. Auch Isolationsformkörper, die aus Faservliesmaterial gepresst wurden, sind im Einsatz.
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Auch sind Formteile im Automobilendschalldämpfer bekannt, z.B. aus Basaltwolle oder aus Glasfaser, die mit Phenolharz oder auch mit anderen polymerbildenden Materialien getränkt wurden. Diese Systeme haben den Nachteil, dass zur Ausbildung einer gewissen Formstabilität ein recht hoher Prozentsatz Bindemittel, gemessen am Gesamtgewicht des Formteils, eingesetzt werden muss. Bei dem Bindemittel werden häufig auch organische Bindemittel eingesetzt, die dann bei einer Beaufschlagung mit Temperatur zu einer starken Rauchentwicklung führen, und je nach Bedingungen mehr oder weniger stark zur Bildung gesundheitsgefährdender Stoffe führen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein formstabiles, aber nicht sprödes Formteil, insbesondere ein thermisches Mehrschichtisolationsformteil, mit einem faserförmigen Isolationswerkstoff herzustellen, welches die Vorteile einer sehr gut isolierenden Schicht, die jedoch porös, mechanisch instabil und/oder Reizungen der Haupt oder der Atemwege fördern kann, mit einfacher Handhabung, Stabilität und gesundheitlicher Unbedenklichkeit herkömmlicher Vlies- bzw. Faserstoffe verbindet.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Isolationsformteil gemäß Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Explosionsansicht eines Rohlings für ein Mehrschichtisolationsformteil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2A und 2C sind Querschnittsansichten eines Rohlings für ein Mehrschichtisolationsformteil einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2B ist eine Querschnittsansicht eines Rohlings für ein Mehrschichtisolationsformteil einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3A und 3B sind Querschnittsansichten eines Mehrschichtisolationsformteils der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Mehrschichtisolationsformteil bereit, das die Vorteile einer sehr gut isolierenden Schicht, die jedoch porös, mechanisch instabil und/oder Reizungen der Haupt oder der Atemwege fördern kann, mit einfacher Handhabung, Stabilität und gesundheitlicher Unbedenklichkeit herkömmlicher Vlies- bzw. Faserstoffe verbindet.
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Mit Bezug auf 1 umfasst ein Mehrschichtisolationsformteil 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine erste Faserschicht 120a, eine zweite Faserschicht 120b und eine Isolationsschicht 130. In den vorliegenden Ausführungsformen sind jeweils eine einzelne erste Faserschicht 120a, eine zweite Faserschicht 120b und eine Isolationsschicht 130 gezeigt. Es sei jedoch angemerkt, dass auch jeweils mehrere erste Faserschichten 120a, zweite Faserschichten 120b und Isolationsschichten 130 verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung dient das Mehrschichtisolationsformteil 100 zur Isolation eines Bauteils (nicht gezeigt) in einem Motor, z.B. eines Katalysators. Eine Abdeckung 110 kann aus Metallblech gebildet und an einer Seite des Mehrschichtisolationsformteils 100 angeordnet sein, die entfernt von dem zu isolierenden Bauteil liegt. Die Abdeckung 110 kann zwischen 0,1 1mm und 5mm, mm dick sein. Die Abdeckung 110 kann jedoch auch aus einem anderem geeigneten Material gefertigt sein
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Die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b sind nach dem Einbau in einem Motor zwischen der Abdeckung und dem zu isolierenden Bauteil angeordnet. Die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b können die im Wesentlichen gleiche Form und Größe aufweisen und aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Fasermaterialien gefertigt sein. Bevorzugt sind die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b aus einem hautfreundlichen Fasermaterial gefertigt, das nach einem Verfestigungsprozess zudem mechanisch stabil ist, um etwa Abrieb oder Erschütterungen im Motorbetrieb standzuhalten. Die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b können aus einem Fasergewebe, einem Vliesstoff oder einem Verbundmaterial aus Fasergewebe und Fließstoff gebildet sein. Insbesondere können die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b jeweils wiederum mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien umfassen. Vorzugsweise ist ein Material der Faserschichten 120a und 120b jeweils ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Isolierfasergewebe und einem Isolierfaservlies umfasst, die jeweils mit einem anorganischen, Bindemittel versetzt sein können, das in einer besonderen Ausführung nach dem Herstellungsprozess dem Isolierformteil auch hydrophobe Eigenschaften verleiht. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Auswahl beschränkt und andere geeignete Materialien können ebenfalls einen Teil der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b bilden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass anorganische Bindemittel in der Regel auch einen gewissen Anteil (ca. 1 Gew.%–3 Gew.%) organischer Dispergiermittel umfassen. Ist hier also von anorganischem Bindemittel die Rede, sollte ein gewisser Anteil (z.B. 2 Gew.%) organischer Stoffe also nicht ausgeschlossen werden.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Isolierfasergewebes oder eines Faservlieses, und mit der erfindungsgemäßen Beschichtung mit einem anorganisches Bindemittel und insbesondere mit einem Schichtsilikat als Fasern aufweist, welches nach dem Herstellungsprozess, d.h. nach dem Heißpressen eine geschlossene, faserfreie Kante aufweist.
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Die Isolationsschicht
130 des Mehrschichtisolationsformteils
100 ist zwischen der ersten Faserschicht
120a und der zweiten Faserschicht
120b angeordnet und steht mit diesen in Kontakt. Das heißt, benachbarte Lagen der einzelnen Schichten des Mehrschichtisolationsformteils
100 berühren sich im Wesentlichen über die gesamten einander zugewandten Oberflächen. Die Isolationsschicht
130 kann zwischen 1mm und 6mm dick sein, insbesondere 1,5mm bis 4mm, und weiterhin insbesondere 2mm bis 3mm. Die Isolationsschicht ist aus einem Material gefertigt, das über sehr gute thermische Isolationseigenschaften verfügt, wie zum Beispiel eine Aerogelmatte (z.B. Pyrogel
®), wie sie etwa in
US 2002/0094426 beschrieben ist, oder eine gepresste Platte, die aus einer Mischung aus einer hydrophoben Kieselsäure, SiC, und künstlichen Mineralfasern, z.B. Glasfasern insbesondere E-Glasfasern, und/oder Basaltfasern, gewonnen wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Auswahl beschränkt und die Isolationsschicht
130 kann andere geeignete Materialien umfassen. Eine mögliche Rezeptur zur Herstellung einer gepressten Platte wäre das Mischen von 65–80 Masseanteilen, bevorzugt 73 Massenteilen hochdisperser, hydrophober Kieselsäure, 10–25 Massenanteilen, bevorzugt 17 Masseanteilen Faser (z.B. 6mm Glasfasern) und 5–15 Masseanteilen, bevorzugt 10 Massenteilen SiC-Pulver. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Rezeptur beschränkt.
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Wie in 1 gezeigt, kann die Isolationsschicht 130 nur einen Teilbereich der Fläche der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b abdecken, die nämlich durch das zu isolierende Bauteil besonders starker Wärmeentwicklung ausgesetzt ist. Alternativ kann die Isolationsschicht 130 auch eine Form aufweisen, die der der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b ähnelt. Jedoch sollte die Isolationsschicht 130, falls zwischen die erste Faserschicht 120a und die zweiten Faserschicht 120b eingelegt, gemäß der vorliegenden Erfindung stets einen gewissen Abstand zum Rand der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b aufweisen. Somit ist gewährleistet, dass die Isolationsschicht 130 als möglicherweise sprödes, mechanisch unstabiles und/oder hautunfreundliches und oder reizende Stäube verursachendes Material nicht aus dem fertigen Mehrschichtisolationsformteils 100 hervorsteht. Anders ausgedrückt, ist die Isolationsschicht 130 in dem fertigen Mehrschichtisolationsformteil 100 gegenüber der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b zurückgesetzt und die Ränder der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b sind direkt miteinander verbunden.
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1 zeigt außerdem, genauso wie 2B, dass die zweite Faserschicht 120b in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Aussparung 121 aufweisen kann, um die Isolationsschicht 130 aufzunehmen und somit die Notwendigkeit, bei der Fertigung des Mehrschichtisolationsformteils 100 Druck auf die einzelnen Komponenten auszuüben, zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Die Aussparung 121 ist jedoch optional und sollte nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung verstanden werden.
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2A und 2C sind Querschnittsansichten eines Rohlings für ein Mehrschichtisolationsformteil einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2B ist eine Querschnittsansicht eines Rohlings für ein Mehrschichtisolationsformteil einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3A und 3B sind Querschnittsansichten eines Mehrschichtisolationsformteils 100 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein möglicher Aufbau des Mehrschichtisolationsformteils 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2A, 2C und 3A–3B gezeigt. Mit Bezug auf 2A, 2C und 3A–3B wird zunächst die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b mit der Isolationsschicht 130 dazwischen angeordnet (2A). In den Figuren ist auch deutlich zu sehen, dass die Isolationsschicht 130 nur einen Teil der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b bedeckt oder zumindest bezüglich dieser zurückgesetzt ist.
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In 2C ist gezeigt, wie die einzelnen Schichten 120a, 120b und 130 des Mehrschichtisolationsformteils 100 übereinandergelegt sind. In 3A ist schließlich gezeigt, wie die einzelnen Schichten verbunden werden. Insbesondere werden die erste Faserschicht 120a und die zweite Faserschicht 120b, die mit einem Bindemittel versehen sind, mittels einer Wärmebehandlung verbacken. Während des Verbindungsvorgangs werden die Ränder der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b zusammengedrückt, so dass sich diese verbinden und die dazwischen liegende Isolationsschicht 130 somit völlig einschließen. In 3A und 3B ist gezeigt, dass in einem Randbereich der verbundenen Faserschichten 120a und 120b und der Isolationsschicht 130 ein Freiraum 131 gebildet ist. Dies soll die vorliegende Erfindung jedoch nicht einschränken.
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Wie in 3A und 3B gezeigt, sind die Ränder des Mehrschichtisolationsformteils 100 derart abgekantet, abgeschnitten, abgestanzt thermisch getrennt, Laser-getrennt oder abgeschert, dass kaum oder bevorzugt keine Fasern aus den Rändern der Faserschichten 120a, 120b hervorstehen. Dies verbessert die mechanische Stabilität und Hautfreundlichkeit des Mehrschichtisolationsformteils 100.
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Um die Verbindung der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b im Randbereich zu stärken, kann in dem Randbereich und zwischen der ersten Faserschicht 120a und der zweiten Faserschicht 120b zusätzlich eine Verbindungsschicht (nicht gezeigt) angeordnet sein, die bei dem Verbindungsvorgang eine feste Verbindung mit den Faserschichten eingeht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Mehrschichtisolationsformteils 100 wurde festgestellt, dass das so verfestigte Formteil gegenüber einfachen Vliesmatten unter dem Einfluss von Vibrationen, wie sie bei Kraftfahrzeugen regelmäßig auftreten, nicht mehr dazu tendieren ihren inneren Zusammenhalt zu verlieren, sodass ein „Ausblasen“ der Fasern verhindert wird und die Isolationsschicht 130 effektiv durch die Faserschichten 120a und 120b geschützt wird.
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Bevorzugte Materialien für das Isolierfasergewebe oder das Isolierfaservlies sind künstliche mineralische Fasern wie Silikatfasern und/oder Glasfasern, keramische Fasern, E-Glasfasern, und/oder Basaltfasern. Insbesondere werden hochfeste HT-Fasern erfindungsgemäß benutzt. Beispielsweise können Handelsprodukte wie IsoTherm®S HT-Fasern verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Formteile ermöglichen optimale Hochtemperaturisolationen bis 1050 °C auf kleinstem Raum, individuelle Geometriegestaltung mit variablen Wandstärken, d.h. Gradienten auch innerhalb einer 3D-Form und geringere Wärmeleitfähigkeiten. Die erfindungsgemäßen Formteile enthalten keine Schadstoffe, haben keine Qualm- und Geruchsbildung und werden präzise passgenau gefertigt und einbaufertig geliefert.
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Zusätzlich zu den obigen Ausführungen kann zum Herstellen des Mehrschichtisolationsformteils 100 ein Teil eines Isolierfasergewebes mit einem anorganischen Bindemittel verwendet werden, wie z.B. Tonerde in Form von Bentonit und insbesondere Schichtsilikat, welches in Wasser aufgeschlämmt ist, versehen, ggf. mit Vermiculit und/oder Glimmer und oder expandierbarem Graphit und oder Alkalimetallsilikaten, insbesondere aus der Gruppe der Natriumsilikate (Wasserglas), versehen und anschließend durch Heißpressen in die Endform gebracht. Die zuvor genannten Stoffe können entweder naturbelassen oder in vorbehandelter Form eingesetzt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Bahnmaterial zuerst mit dem anorganischen Bindemittel versehen werden. In einem zweiten Schritt wird darauf dann zusätzlich eine Schicht aus Vermiculit und/oder Glimmer und oder expandierbarem Graphit und oder Alkalimetallsilikat aufgebracht und anschließend durch Heißpressen in Endform gebracht.
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Dem Bindemittel können jedoch auch Farbpigmente zugesetzt werden, die die Wäremabsorption und/oder Wärmereflexion beeinflussen, sodass die umgebenden Bauteile noch besser gegen thermische Überlastung geschützt werden.
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Als Faserschichten 120a und 120b können Silikatfasermatten mit Dichten von 90 kg/m3 bis 180 kg/m3 Anwendung finden.
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Die Normaldichte liegt bei 120 kg/m3 bzw. 130 kg/m3. Durch die Verpressung werden dann Raumgewichte von bis zu 400 kg/m3 erreicht.
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Das erfindungsgemäße Mehrschichtisolationsformteil 100 kann ebenfalls Bestandteil eines Heißgas führenden Bauteils sein, insbesondere kann es die Isolierung für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors und insbesondere die Isolierung für einen Abgaskatalysator darstellen.
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In einer anderen Ausführungsform kann erfindungsgemäß das Formteil auch für einen Endkonus einer Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0413998 A [0004]
- EP 0980465 B1 [0005, 0005]
- US 2002/0094426 [0019]
