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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abschirmbauteil zur Abschirmung heißer Bereiche eines Bauteils, insbesondere ein Hitzeschild. Derartige Hitzeschilde werden beispielsweise zur Abschirmung heißer Bereiche von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Katalysatoren, Abgaskrümmern, Turboladern und dergleichen oder auch in der Batteriekonditionierung eingesetzt.
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Bei derartigen Hitzeschildern werden beispielsweise zwei Blechlagen als Decklagen beabstandet voneinander miteinander verbunden. Zwischen die Blechlagen wird ein Isolationsmaterial eingebracht. Dieses Isolationsmaterial wird als unverformtes, leicht biegbares Material zwischen die benachbarten Blechlagen eingefügt, passt sich der dreidimensionalen Form der benachbarten Blechlagen an und wird durch diese in seiner Position fixiert. Diese Art der Herstellung ist nur bei Isolationsmaterialien mit geringer Rückfederung und/oder geringer Kompressibilität möglich, da sonst ein gemeinsames Umformen des Gesamtteils nicht möglich ist, da das Isolationsmaterial die Durchleitung der Verformungskräfte auf die hinter ihm liegende zweite Blechlage nicht zulässt. Bei für zur Isolation geeigneten faserbasierten Isolationsmaterialien ist die Rückfederung bzw. Kompressibilität hierzu zu hoch.
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Alternativ können dreilagige Hitzeschilde dadurch hergestellt werden, dass zunächst die Blechlagen individuell umgeformt werden und auf eine der Decklagen das Isolationsmaterial als zweidimensionale, flächige, nicht umgeformte und nicht verfestigte Lage aufgebracht und anschließend mit der zweiten Decklage eingeschlossen wird. Die Formgebung des Isolationsmaterials ergibt sich ausschließlich durch die Formen der beiden Blechlagen beim Zusammenfügen. Bei einem derartigen Zwischenfügeprozess des Isolationsmaterials zwischen den beiden Decklagen kann jedoch eine unerwünschte Faltenbildung des Isolationsmaterials auftreten. Die Einzellagen können sich weiterhin unbeabsichtigt gegeneinander verschieben oder im Anschluss an das Zusammenfügen zurückfedern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Abschirmbauteil, beispielsweise einen Hitzeschild, zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, die Lagen so herzustellen, dass die Lagen sich bei ihrer Herstellung nicht gegenseitig beeinflussen und das eine einfache Herstellung und einen verringerten Montageaufwand ermöglicht. Weiterhin soll das erfindungsgemäße Abschirmbauteil möglichst nicht schwerer als Abschirmbauteile des Stands der Technik sein.
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Diese Aufgabe wird durch das Abschirmbauteil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abschirmbauteils werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Das erfindungsgemäße Abschirmbauteil weist zwei metallische Decklagen auf. Diese Decklagen können beispielsweise die den Hitzeschild nach außen abschließenden Außenlagen sein, wobei eine der Decklagen zum heißen Bauteil hin orientiert und die andere Decklage vom heißen Bauteil weg gerichtet montiert werden kann.
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Zwischen diesen beiden Decklagen befindet sich eine Isolationslage aus einem Faserverbundmaterial.
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Die zweite metallische Decklage, gewöhnlich diejenige Decklage, die vom heißen Bauteil weg gerichtet angeordnet ist, weist eine Vielzahl von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Durchlässen auf. Derartige Durchlässe können nicht nur dort angebracht werden, wo der Hitzeschild mittels einer Verbindungsvorrichtung, beispielsweise einer Schraube oder Niete, an dem abzuschirmenden Bauteil befestigt wird, sondern auch in anderen Bereichen der zweiten metallischen Decklage. Hier stellen sie Aussparungen der Decklage dar, durch die hindurch Schallwellen in die Isolationslage eintreten können. Durch die Aussparungen ergibt sich eine deutliche Verringerung der Schallreflektion auf der Oberfläche des Abschirmbauteils.
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Dies ist möglich, da die Isolationslage erfindungsgemäß aus einem selbsttragenden Faserverbundmaterial besteht oder überwiegend ein solches enthält und so selbsttragend ausgebildet ist. Somit benötigt sie auch keine vollflächige Abdeckung.
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Eine derartige Ausgestaltung des Abschirmbauteils hat den Vorteil, dass die Isolationslage vorab in der gewünschten dreidimensionalen Form hergestellt werden kann, bevor die beiden Decklagen und die Isolationslage zum erfindungsgemäßen Hitzeschild montiert werden. In diesem Falle haben die Decklagen nicht zusätzlich die Aufgabe, ein Herausfallen der Fasern der Isolationsschicht zu verhindern, die Isolationslage in ihre Form zu bringen und in ihrer Position zu halten. Daher kann zumindest die äußere Decklage mit kleineren oder auch großflächigen Ausnehmungen versehen sein. Relevant ist lediglich, dass die zweite Decklage eine gerüstartige bzw. skelettartige Struktur darstellt, die die Isolationslage in ihrer Position fixiert.
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Besonders einfach ist die Isolationslage des erfindungsgemäßen Abschirmbauteils herzustellen, indem das Faserverbundmaterial in einem ersten Schritt in Form gebracht wird und gleichzeitig und/oder anschließend in der entsprechenden dreidimensionalen Form beispielsweise durch Erhitzen und/oder Verpressen zu einer selbsttragenden Isolationslage umgeformt wird. Das Selbsttragen kann einerseits dadurch erreicht werden, dass eine Metallverstärkung, beispielsweise Metallfasern, insbesondere als Gitter, oder ein oder mehrere Lochblech(e), in die Isolationslage integriert sind, die zusammen mit dem Fasermaterial verformt wird und das Fasermaterial anschließend in Form hält. Andererseits oder auch zusammen mit einer Metallverstärkung kann die Isolationslage organische und/oder anorganische Binder enthalten. Im Falle, dass die Isolationslage einen Binder enthält, werden durch das Verpressen und/oder Erhitzen die Fasern in dem Faserverbundmaterial zusätzlich durch den Binder gebunden. Im Ergebnis ergibt sich vorteilhafterweise eine fertige, passgenaue selbsttragende Isolationslage. Diese Isolationslage ist dann lediglich noch zwischen die beiden Decklagen einzufügen, die ihrerseits bereits vorab in die richtige dreidimensionale Form gebracht sein können.
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Durch die Herstellung einer selbsttragenden, dreidimensional ausgeformten Isolationslage vor dem Zusammenfügen der Isolationslage mit den Decklagen, kann die Isolationslage in Abhängigkeit von ihren gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise Isolationswirkung, thermische Beständigkeit, akustische Optimierung etc., geeignet bezüglich ihrer Materialien (Fasermaterial, Binder, Zuschlagstoffe) ausgesucht und auch geeignet verpresst/gebunden werden.
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Die Isolationslage selbst kann eine Schicht oder mehrere Schichten aufweisen, die gegebenenfalls auch teilweise oder sämtlich aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt sind. Wird beispielsweise eine dreischichtige Sandwichbauweise der Isolationslage gewählt, so kann eine Schichtenabfolge aus einem Metall (äußere Lage), insbesondere eine Metallfolie, einem Glasfaser-Binder-Verbund (Isolationsschicht) und Fasergewebe, -gestrick, -gewirk, vlies, insbesondere Glasfaservlies (innere Schicht) ausgebildet werden. Statt einer äußeren Metalllage kann auch ein Kaschiervlies, beispielsweise aus PANOX, PES, ein Glasfaservlies und/oder eine anderweitige Folie etc. eingesetzt werden. Diese äußere Schicht soll vorteilhafterweise eine Dicke von maximal 200 µm, vorzugsweise 50 bis 100 µm aufweisen. Zusätzlich kann diese äußere Schicht perforiert sein, beispielsweise mit 5 bis 30 Poren/cm2 und/oder beispielsweise mit einem Porendurchmesser zwischen 0,05 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mm, jeweils einschließlich oder ausschließlich der Grenzwerte.
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Die Isolationsschicht in diesem Beispiel kann ein Gesamtflächengewicht von 2000 g/m2 aufweisen.
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Werden mehrere mittlere Lagen vorgesehen, so können diese beispielsweise aus Basaltsteinwolle und Glasfaser oder irgendeinem der obigen genannten Materialien bestehen. Zur Einhaltung der bevorzugten oberen Grenze für das Flächengewicht von 2000 g/m2 sind dann diese beiden mittleren Schichten derart auszugestalten, dass jede einzelne Schicht ein maximales Flächengewicht von 1000 g/m2 aufweist.
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Werden beispielsweise insgesamt vier Mittelschichten als Schichten der Isolationslage gewählt, so muss in diesem Fall nur das durchschnittliche Flächengewicht der einzelnen jeweiligen Schichten 500 g/m2 betragen. Das Flächengewicht der einzelnen jeweiligen Schicht kann aber von 500 g/m2 abweichen.
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Zwischen zwei derartige mittlere Schichten kann auch weiterhin eine weitere Schicht, beispielsweise eine Aluminiumfolie, beispielsweise eine gelochte oder ungelochte Aluminiumfolie, beispielsweise mit einer Dicke von 100 µm eingesetzt werden. Die Lochung vereinfacht dabei vor allem die Verbindung der Fasern auf beiden Seiten der Folie.
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Wie bereits erwähnt, wird die Isolationslage vor der Montage und dem Zusammenbau mit den Decklagen in der gewünschten dreidimensionalen Form vorgeformt. Eine derartige Verformung erfolgt üblicherweise durch Verpressen der Isolationslage und gegebenenfalls auch zusätzliches Erwärmen der Isolationslage. Es hat sich nun als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dicke der Isolationslage insgesamt vor diesem Verpressen 12 bis 40 mm und nach dem Verpressen 3 bis 10 mm beträgt. Es ist dabei möglich, Abschnitte unterschiedlicher Verpressungsgrade herzustellen. Wobei – innerhalb des angegebenen Bereichs – die wenig verpressten Bereiche viele Hohlräume aufweisen und deshalb eine besonders gute Isolationswirkung ermöglichen, während die stärker verpressten Bereiche insbesondere der Verfestigung dienen.
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Grundsätzlich kann die Isolationslage aus mehreren Faserlagen aufgebaut sein, wobei nicht sämtliche Faserlagen dieselbe Flächenausdehnung aufweisen müssen. Hierdurch lässt sich bereits beim unverpressten Isolationsmaterial eine abschnittsweise unterschiedliche Dicke erzielen, was den Gestaltungsspielraum für das verpresste Isolationsmaterial erhöht.
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Als Fasern in der Isolationslage können vorteilhafterweise Silikat-Fasern, Basaltsteinwolle und/oder, Glasfasern (genadelt) eingesetzt werden.
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Als Binder eignen sich phenolische Harze und/oder melamin- oder silikatbasierende Harze. Deren Anteil an der Mischung des Materials der Isolationslage kann ≥ 15%, vorzugsweise ≥ 20 % betragen.
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Die erste Decklage, die gewöhnlich eine zu dem abzuschirmenden heißen Bauteil gerichtete Innenlage ist, kann einlagig mit einer Dicke zwischen 0,15 mm und 1 mm, vorzugsweise 0,15 mm bis 0,3 mm ausgebildet sein, jeweils einschließlich oder ausschließlich der Grenzen. Hierfür eignet sich beispielsweise ein Stahlblech mit Aluminiumauflage oder ein Edelstahlblech.
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Diese erste Decklage kann ihrerseits perforiert, beispielsweise mikroperforiert sein. Eine solche Perforierung kann zwischen 5 und 20, vorteilhafterweise zwischen 10 und 15 Löcher pro cm2 aufweisen. Die Durchmesser der Löcher können so dimensioniert werden, dass sie zwischen 0,3 und 2 mm, vorteilhafterweise zwischen 0,8 und 1,5 mm aufweisen, jeweils einschließlich oder ausschließlich der Grenzen.
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Für die zweite Decklage, die gewöhnlich von der heißen Wärmequelle weg gerichtet ist, eignet sich ebenfalls ein Stahlblech mit Alu-Auflage bzw. ein Edelstahlblech. Die zweite Außenlage kann dabei einlagig sein, beispielsweise mit einer Lagendicke zwischen 0,15 und 1,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6 mm, insbesondere zwischen 0,3 und 0,5 mm, jeweils einschließlich oder ausschließlich der Grenzen. Die zweite Decklage weist Aussparungen auf, die es ermöglichen, dass Schall und Luft über einen großen Flächenanteil der äußeren Oberfläche des Abschirmbauteils in die Isolationslage eintreten kann und so nicht reflektiert wird. Um eine ausreichende Stabilität der zweiten Decklage zu gewährleisten beträgt die Fläche der zweiten Decklage mindestens 1/5 der von ihren Außenkanten aufgespannten Fläche.
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Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Abschirmelemente gegeben. Dabei zeigen diese Beispiele jeweils eine Kombination von wesentlichen und auch von optionalen Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die optionalen Merkmale können dabei auch jedes für sich die vorliegende Erfindung weiterbilden.
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Im Folgenden werden für gleiche oder ähnliche Elemente jeweils auch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, so dass gegebenenfalls ihre wiederholte Beschreibung weggelassen wird.
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Es zeigen
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1: Ein erfindungsgemäßes Abschirmbauteil in Explosionsdarstellung;
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2: Einen Ausschnitt durch einen Querschnitt verschiedener Isolationslagen; und
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3: Eine Aufsicht auf ein Abschirmelement und einen zugehörigen Querschnitt.
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1 zeigt die drei Lagen 2, 3 und 10 eines Abschirmbauteils 1, hier eines Hitzeschildes 1 in Explosionsdarstellung. Das Abschirmbauteil weist eine innere Lage 2 als erste Decklage, eine äußere Lage 3 als zweite Decklage und eine mittlere Lage 10 als Isolationslage auf. Die innere Lage 2 besteht aus einem Metallblech, das, wie in dem hinzugefügten Ausschnitt zu erkennen ist, eine Mikroperforierung 7 mit einer Lochdichte von 12 Löchern pro cm2 und einem Lochdurchmesser von 0,8 mm aufweist. Der inneren Lage 2 benachbart ist eine Isolationslage 10 aus einem Faserverbundwerkstoff angeordnet. Diese erstreckt sich über die gesamte Fläche der Lage 2 mit Ausnahme der Ränder und mit Ausnahme von Anbindepunkten 5, die hier als Schraubenlöcher 5 dargestellt sind. Auf der anderen Seite der Isolationslage 10 benachbart ist eine äußere Decklage 3 vorgesehen. Diese äußere Decklage 3 besteht ebenfalls aus einem Metallblech. Dieses weist neben den Anbindepunkten 5, d. h. den Schraubenlöchern 5, weitere Aussparungen 4 auf. Diese fensterartigen Aussparungen 4 ermöglichen, dass Schall in die Isolationslage 10 eintreten kann und nur zu geringen Anteilen auf der Oberfläche der Decklage 3 reflektiert wird. Nachdem die Isolationslage 10 aus einem vorgeformten, formstabilen, selbsttragenden Faserverbundwerkstoff besteht oder zumindest diesen im Wesentlichen enthält, können die fensterartigen Aussparungen sehr groß sein, da es nicht zu den Aufgaben der äußeren Decklage 3 gehört, die Isolationslage 10 in Form und Position zu halten. Weiter ist die Isolationslage 10 so verfestigt, dass keine Fasern den Hitzeschild 1 über die Aussparung 4 verlassen. Bei einer losen Faserlage, wie sie für die Isolationslage 10 im Stand der Technik bekannt ist, wäre die vorgesehene Ausgestaltung der äußeren Decklage 3 nicht möglich. Weiter ergibt sich aufgrund der großflächigen fensterartigen Aussparungen, die hier ungefähr 60% des von den Aussenkanten der äußeren Decklage 3 aufgespannten Fläche umfassen, eine sehr leichte Bauweise der äußeren Decklage 3.
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In 2 sind in den Teilbildern A bis H jeweils Querschnitte im Ausschnitt durch die Isolationslage 10 dargestellt. In 2A weist die Isolationslage einen dreischichtigen Aufbau auf. Die mittlere Schicht 11b besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, der eingeschlossen ist zwischen einer äußeren Schicht 11a aus einer Aluminiumfolie (AL 99.5) mit einer Dicke von 100 µm und einer inneren Schicht 11a, die aus einem Glasfasergewebe mit einer Dicke von 160 µm und einem Flächengewicht von 125 g/m2 besteht. Auch die äußere Schicht 11a weist Öffnungen 7 auf. Sie kann insbesondere mikroperforiert sein mit einer Lochdichte von 10 bis 30 Löchern pro cm2 und einem Lochdurchmesser zwischen 0,05 und 0,5 mm. Aufgrund der Perforierung ist es Schall möglich, in die Isolationslage mit ihren Schichten 11a, 11b und 11c einzudringen. Dadurch verbessert sich die akustische Isolationswirkung des Hitzeschildes. Zugleich wird das Gewicht des erfindungsgemäßen Hitzeschildes gering gehalten. Das Gesamtflächengewicht der Isolationslage 10 beträgt hier 2500 g/m2.
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In 2B ist eine ähnliche Isolationslage 10, wie in 2A dargestellt. Nunmehr sind die beiden Schichten 11a und 11c jedoch gleichermaßen aus einem feinmaschigen Glasgewebe (Dicke 0,16 mm, Gewicht 125 g/m2, Temperaturbeständigkeit bis 550°C) gebildet. Dieses Glasgewebe weist selbstverständlich ebenfalls Poren 7, 12 auf, so dass die akustische Abschirmung und das geringe Gewicht ebenfalls gewährleistet sind. Hier wurde ein leichteres Fasermaterial für die Schicht 11b verwendet als im vorhergehenden Beispiel, so dass sich ein Gesamtflächengewicht von 1800 g/m2 ergibt.
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2C zeigt eine weitere Isolationslage 10, bei der auf der Innenseite die Schicht 11c aus dem oben zu 2A beschriebenen Glasfasergewebe besteht. Auf der zur kalten Seite hin gerichteten Außenseite der Isolationslage 10 befindet sich eine Deckschicht 11a, die aus einem PANOX/PES-Kaschiervlies gebildet ist, das zu 70 % aus Polyesterfasern und zu 30 % aus Kohlefasern besteht. Dieses weist ein Flächengewicht von 90 g/m2 und eine Dicke von 600 µm auf. Das Gesamtflächengewicht der Isolationslage 10 beträgt 2200 g/m2.
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In 2D ist eine Isolationslage 10 dargestellt, wie sie auch in 2A gezeigt wurde, mit dem Unterschied, dass nunmehr die mittlere Isolationsschicht 11b zweischichtig ausgebildet ist. Die obere Schicht 11b besteht dabei aus Basaltsteinwolle mit 20 % Phenolharz-Binder und mit einem Flächengewicht von 1000 g/m2. Die untere Schicht 11b‘ der Isolationslage 10 besteht aus demselben Material, wie die mittlere Schicht 11b in 2A.
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In 2E ist eine weitere Isolationslage 10 dargestellt, wie sie aus der 2D bereits bekannt ist. Nunmehr befindet sich jedoch zwischen der oberen Schicht 11b und der unteren Schicht 11b‘ eine weitere Aluminiumfolie 11d, die eine Dicke von 100 µm aufweist. Auch diese Aluminiumfolie 11d weist eine Perforation mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 1 mm und einer Lochdichte zwischen 5 und 20 Löchern pro cm2 auf. Insgesamt ergibt sich also eine fünfschichtige Isolierlage 10.
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In 2F ist eine weitere Isolationslage 10 dargestellt, bei der die mittlere Schicht in insgesamt vier Teilschichten unterteilt ist. Die vier Teilschichten weisen eine Abfolge von Schichten mit Basaltsteinwolle und Binder und einem Flächengewicht von 500 g/m2, siehe Schichten 11b und 11b‘‘ sowie Schichten mit Glasfaser und Binder, siehe Schichten 11b‘ und 11b‘‘‘, und ebenfalls einem Flächengewicht von 500 g/m2 auf. Durch diese vier Schichten wird also insgesamt wiederum ein Flächengewicht von 2000 g/m2 für das Faserverbundmaterial erreicht.
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Die obere Schicht 11a besteht aus einer geschlossenen Aluminiumfolie mit einer Dicke von 100 µm. Die untere Schicht 11c besteht aus einem porösen, feinmaschigen Glasgewebe.
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2G illustriert eine Ausführungsform, bei der im Vergleich zu demjenigen der 2F noch eine weitere Faserschicht 11b‘‘‘‘ mit Basaltsteinwolle und Binder aufgebracht, wobei diese Schicht nicht über die gesamte Fläche der Isolationslage 10 erstreckt. Daneben erstreckt sich auch die unterste Mittelschicht 11b‘‘‘ nur über einen Teil der Fläche der Isolationslage 10, wobei hier die Erstreckung größer ist als die der Schicht 11b‘‘‘‘. Die beiden Deckschichten 11a, 11c folgen in ihrer Form der Oberfläche dieser beiden verkürzten Schichten 11b‘‘‘, 11b‘‘‘‘. Auf diese Weise lassen sich Isolationslagen fertigen, bei denen nach Erhitzen und Verpressen unterschiedliche Bereiche bei gleichem Verpressungsgrad unterschiedliche Dicken aufweisen oder bei durchgängig gleichbleibender Dicke Bereiche unterschiedlichen Flächengewichts.
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Sämtliche der in 2A bis 2G dargestellten Isolationslagen 10 werden für den erfindungsgemäßen Hitzeschild noch vor ihrem Einfügen zwischen die beiden Decklagen 2, 3 als Sandwich hergestellt und in 3D-Form gebacken. Durch die Erhitzung und den ausgeübten Druck verbindet der Binderanteil in den einzelnen Schichten sowohl die darin enthaltenen Fasern untereinander als auch die einzelnen Schichten miteinander.
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2H stellt ergänzend eine Ausführungsform der Isolationslage 10 dar, bei der anstelle eines Binders ein Metallgitter 14 für das Selbsttragen der Isolationslage 10 sorgt. Das Metallgitter ist hierzu in das Fasermaterial der Isolationslage 10 eingefügt. Auf einen Binder kann folglich verzichtet werden. Der dargestellte Abschnitt der Isolationslage 10 weist (noch) keine Verformung auf. Ansonsten entspricht der Aufbau der 2H demjenigen der 2C.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds. 3B zeigt dabei eine Aufsicht und 3A einen Querschnitt längs der Linie A-A in 3B. An diesem Beispiel ist besonders gut zu erkennen, dass die Dicke der Isolationsschicht 10 in der Fläche des Hitzeschilds variabel gestaltet werden kann. Dies ist möglich, da die Isolationslage 10 bereits vorab vor Assemblierung des Hitzeschildes in ihre endgültige stabile 3D-Form gebracht wird. Auch der Randbeschnitt kann in diesem Verfahrensschritt, ggf. im selben Werkzeug erfolgen.
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Auch die Decklagen werden vor dem Zusammenbau des Hitzeschildes bereits in ihre 3D-Form gebracht (Stanzen und 3D-Formen/Pressen), die lediglich noch für die Verbindung der Decklagen miteinander lokal verändert wird. Weiterhin ist gut zu erkennen, dass im Bereich der Schraubenlöcher 5, d. h. im Bereich von Anbindepunkten, keine Isolationslage 10 vorhanden ist. Dort sind also die beiden Decklagen 2 und 3 unmittelbar zueinander benachbart.
