DE2263044A1

DE2263044A1 - Waermeisolierende teilchen

Info

Publication number: DE2263044A1
Application number: DE19722263044
Authority: DE
Inventors: Yasuo Takenaka
Original assignee: Japan National Railways
Current assignee: Japan National Railways
Priority date: 1971-12-25
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1973-06-28
Also published as: CH602518A5; FR2164922B1; FR2164922A1; GB1413980A; DE2263044C3; JPS4870141A; DE2263044B2

Description

Dr. F. Zümsteln sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenigsberger - Dipl.-Phys. R, Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

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Japanese national Railways, Tokyo/Japan

Wärmeisolierende Teilchen.

Die Erfindung betrifft wärmeisolierende Teilchen,- die die gewünschte Wärmeisolierung gegenüber der molekularen Gaswärmeleitung, der Wärmestrahlung und der Pestkörperwärmeleitung erfüllen, und ebenfalls einen Wärmeisolator, der gleichzeitig bei den drei Gegebenheiten, der molekularen Gaswärmeleitung, der Wärmestrahlung und der Pestkörperwärmeleitung eine wesentlich höhere Wärmeisolationswirkung.zeigt und der sich weiterhin durch eine hohe mechanische Festigkeit auszeichnet.

Wie es später anhand von Pig. 1 dargestellt wird, sind im allgemeinen in der molekttlÄsejigGaeväpgeleitung, der Wärmestrahlung

INSPECTED

und der Festkörperwärmeleitung die wichtigsten Faktoren bei der Vergrößerung der Wärmeisolationswirkung zu sehen.

Solche herkömmlichen Wärmeisolatoren sind nur zur Wärme isolation bestimmt. Aufmerksamkeit wurde allein der Verwendung eines Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit geschenkt. Wenn solche Isolatoren auf einen Aufbau oder eine Vorrichtung angewandt werden, ermöglichen sie, daß von benachbarten Teilen eine große Wärmemenge in den Aufbau oder die Vorrichtung eindringt, was zur Folge hat, daß die gesamte erzielte wärmeisolierende Wirkung unzureichend ist. Beispielsweise kann im Falle der Wärmeisolierung bei Tiefstteinperaturen eine gute Gesamtwärmeisolationswirkung, die stark von der Gestalt und dem Aufbau der Vorrichtung abhängt, selbst dann nicht immer sichergestellt werden, wenn ein wärmeisolierendes Material von geringer Wärmeleitfähigkeit verwandt wird.

Eine bisher verwandte äußerst einfache Wärmeisolierung liefert die Verwendung von geschäumten Materialien. Diese Materialien umfassen Glasfiberschaum, Polyäthylenschaum, Isocyanatschaum usw. Als Aufschäumgas wird allgemein Kohlendioxyd verwandt. Es ist allgemein üblich, das Rohmaterial, d.h. Glasfiber, Polyäthylen oder Isocyanat auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, es in einen flüssigen Schaum mit Hilfe von Kohlend!oxydgas umzuwandeln und dann die Erhitzung zu beenden. Diese flüssigen Schaumstoffe verfestigen sich bei etwa 190° K, so daß auf diese Weise ein geschäumtes Produkt erhalten wird. Bei einem solchen geschäumten Produkt ist es wenig wahrscheinlich, daß sich darin Gasblasen gebildet haben, und dementsprechend ist die molekulare Gaswärmeleitung darin äußerst gering. Die Hauptbestandteile der Wärmeleitung darin bestehen in der Festkörperwärtaeleitung des Schaums und der Wärmestrahlung. Daher ist die scheinbare mittlere Wärmeleitfähigkeit relativ gering. In dem Fall jedooh, in dem die Außenwand der Atmosphäre ausgesetzt ist oder dem Um-

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gebungsdruck oder der umgebenden Atmosphäre unterworfen ist, können die im geschäumten Produkt enthaltenen Aufschäurngase leicht entweichen. Wenn diese Gase von der Luft oder dem atmosphärischen Gas ersetzt werden, können sie die Atmosphäre verunreinigen oder die Wärmeisolationswirkung verringern. Diese Schwierigkeit kann dadurch vermindert werden, daß nahezu ein Hochvakuum verwandt wird, hei dem die molekulare Wärmeleitung des restlichen Gases von der Art und^von dem Druck des Restgases in der wärmeisolierenden Schicht abhängt. Um jedoch eine solche Wirkung zu erzielen, daß die Wärmeübertragung vom Restgas ignoriert werden kann, muß der Druck des Vakuums unter 10~ mm Hg liegen. Wenn die wärmeisolierenden Eigenschaften weiter verbessert werden sollen, müssen Maßnahmen getroffen werden, die Wärmestrahlung und die Pestkörperwärmeleitung zu verringern. Die Wärmestrahlung ist unabhängig von der Höhe des Vakuums und biquadratisch abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und der Außenfläche der wärme isolierend en Schicht, von den Eigenschaften des Wandmaterials und dem Zustand der Außenflächen. Es stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die Wärmestrahlung zu vermeiden, Tatsache ist jedoch, daß sie nicht voll wirksam sind, da bei den Aufbauten oder Vorrichtungen, bei denen derartige Wärmeisolatoren verwandt werden, die festkörper warmeleitung von den Stützteilen oder anderen Bauteilen gewöhnlich über 5O> des gesamten Wärmetransports übernimmt. Damit erscheint die Hochvakuumwärmeisolierung für wärmeisolierende Anlagen mit großen Abmessungen unpassend.

Die Verwendung von gewöhnlichen wärmeisolierenden, porösen Seuchen, die vollkommen einen Wärmeisolationsrauoi bei normalem Druck einnehmen, hat den Vorteil, daß die scheinbare mittlere Wärmeleitfähigkeit etwa annähernd gleich der Wärmeleitung des Restgases zwischen den Teilchen ist. Die Wärmekonvexion wird unterdrückt, obwohl eine Wärmeleitung durch die Seilchen in gewissem Ausmaß stattfinden kann. Wenn der Druck im Wärmeisolatio"sraum genügend verringert ist, daß die mittlere freie Weg-'-

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länge der Gasmoleküle einem Wert näherkommt, der mit dem Zwischenraum zwischen den Teilchen vergleichbar ist, zeigt die scheinbare Wärmeleitfähigkeit der Partikel einen plötzlichen Abfall, und bei Drucken unterhalb 10 mm Hg ist die erzielte Wärmeisolationswirkung etwa gleich der, die mit dem Hochvakuumverfahren erreicht wird. Obwohl die porösen Teilchen allgemein als wärmeisolierende Materialien verwandt werden, hängt ihre kombinierte Wärmeleitfähigkeit oft von den Eigenschaften der Teilchen, wie der Art, der Gestalt, der Anordnung, der Dicke, der Dichte, der Temperatur, der Wärmekapazität, der Wärmerückstragfähigkeit, dem Absorptionskoeffizienten der Teilchen, der Anpassungsfähigkeit der Teilchenoberfläche gegenüber einem Gas und anderen Punktionen ab. Daneben ma'ngelt es diesen Teilchen gewöhnlich an der Fähigkeit, Warmestrahlung abzuschirmen.

Das sogenannte Kühlkanal-Wärmeisolationsverfahren, bei dem eine warmeisolierende Schicht, die zwischen einem inneren und einem äußeren Kessel besteht, im Inneren mit einem Kühlkanal versehen ist, der als Kühlmittel ein Verdampfergas zirkuliert, kann eine bessere Wärmeisolation liefern, hat jedoch eine Anzahl von Nachteilen, beispielsweise einen komplizierten Aufbau, einen nicht vernachiässigbaren Verbrauch an Kühlmittel, die Vergrößerung der Abmessung der Ausrüstung als Ganzes und verschiedene Schwierigkeiten bei der Installation.

Verglichen mit den anderen, oben angeführten Verfahren ist das sogenannte Vielschicht-Wärmeisola-tionsverfahren, bei dem eine vielschichtige Strahlungsabschirmung eingesetzt wird, das beste. Bei diesem Verfahren ändert sich die Wärmeisolationswirkung jedoch in einem breiten Bereich in Abhängigkeit von der Einspannfestigkeit der die Vielfachschicht bildenden Teile. Da diese Teile so lose wie möglich eingespannt werden müssen, UQ sine bessere V/är-r.e isolation zu erzielen, wird die mechanische Festigkeit des Wärmeisolators als Ganzes geringer und ist dieser Vielschichtisolator zur Verwendung als ein Stütz- oder anderes

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Bauteil eines Aufbaus oder einer Vorrichtung ungeeignet. Andererseits können nichtrostende Stähle oder Kunstharze mit geringer Wärmeleitfähigkeit als wärmeisolierende Materialien verwandt werden, bei denen die Fähigkeit kombiniert ist, als Stütz- oder ein anderes Bauteil eines Aufbaus oder einer Vorrichtung zu dienen, jedoch sind diese Materialien einem beträchtlichen Wärmestrom infolge der Festkörperwärmeleitung unterworfen.

Der erfindungsgemäße Wärmeisolator enthält eine Anzahl von glatten, wärmeisolierenden Teilchen, von denen jedes einen hohlen oder massiven inneren Kern aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist, der mit einem Material überzogen ist, das so gewählt ist, daß es die auftreffende Wärmestrahlung reflektiert. Vorzugsweise ist das Material geringer Wärmeleitfähigkeit Kieselerde, Tonerde, Glas oder ein Kunstharz, und das Material, das so gewählt ist, daß es die Wärmestrahlung reflektiert, ist Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, nichtrostender Stahl oder Titan. Es ist besonders passend, wenn die. Teilchen so aneinander grenzen, daß ihre Außenflächen einen Punktkontakt dazwischen herstellen.

Der erfindungsgemäße Wärmeisolator kann weiterhin aus einer Anzahl von nahezu kugelförmigen, glatten, wärmeisolierenden Teilchen bestehen, von denen jedes einen nahezu kugelförmigen inneren Kern mit einem Durchmesser von etwa 0,10 mm bis etwa 1,2 mm aus einem Material aufweist, das eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als etwa 1 χ 10⁴ Mikrowatt/cm°K aufweist und mit einem Überzug eine Dicke von etwa 0,10 μ bis etwa 1,2 μ aus einem Material überzogen ist, das einen Emissionswert von mehr als etwa 0,02 bei 300⁰K aufweist. Vorzugsweise ist jeder innere Kern ein massiver innerer Kern mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis etwa 1,2 tun,und v/eist der Überzug eine Dicke von etwa 0,1 bis etwa 1,2 μ auf. Jeder innere Kern kann auch ein hohler innerer Kern sein, der einen Außendurchmesser von etwa 0,1 bis etwa

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1,2 mm aufweist. Vorzugsweise beträgt die Wandstärke des hohlen inneren Kerns etwa 3 bis 200 μ und weist der Überzug eine Dicke von 0,1 bis 1,2 μ auf. Jeder innere Kern besteht vorzugsweise aus Kieselerde, Tonerde, Glas oder einem Kunstharz, wie , Nylon oder Polytetrafluoräthylen (Teflon), während der Überzug aus Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, nichtrostendem Stahl oder Titan besteht. Insbesondere hängen die Teilchen so aneinander, daß sich die Außenflächen der benachbarten Teilchen im Punktkontakt befinden. Weiterhin können die aneinander hängenden Teilchen eine Anzahl von blockförmigen Elementen bilden, die getrennt durch Vakuumzwischenräume oder Zwischenräume, die Kohlensäure enthalten, in Abständen angeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen eines hohlen,wärmeisolierenden Teilchens, bei dem ein kugelförmiges Element aus einem Material, das sich bei niedrigen Temperaturen leicht zersetzt, geliefert wird, dieses Element mit einem Material überzogen wird, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, das Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit mit einem Material überzogen wird, das so gewählt ist, daß es die auftreffende Wärmestrahlung reflektiert und das resultierende, zusaratnengesetzte Element auf eine Temperatur erhitzt wird, die zum Zersetzen des kugelförmigen Elementes ausreichend ist. Vorzugsweise besteht das kugelförmige Element aus geschäumtem Polystyrol. In diesem EaIl wird bei dem Verfahren vorzugsweise das erhitzte, zusammengesetzte Element auf eine ausreichend niedrige Temperatur gekühlt, um die vom Zersetzen des geschäumten Polystyrols verbleibende Kohlensäure zu gefrieren. Vorzugsweise liegt diese ausreichend niedrige Temperatur unter etwa 190⁰K.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beispielsweise bevorzugte Ausführungsforrnen der Erfindung näher erläutert.

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Pig. 1 zeigt in einer Schnittansicht ein bekanntes metalli-, sches Dewar-Gefäß, was zur Erläuterung der Erscheinungen-dienen soll, die als die wichtigsten Faktoren bei der Verbesserung der Wärmeisolationswirkung eines Wärmeisolators, anzusehen sind, d.h." der molekularen Gaswärmeleitung, der Wärmestrahlung und der Pestkörperwärmeleitung.

Pig. 2a und 2b sind jeweils eine vergrößerte Ansicht eines massiven Teilchens einer Ausführungsform der .erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Teilchen und eine vergrößerte Ansicht eines hohlen Teilchens einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen isolierenden Teilchen.

Pig. 3a und 3b sind Draufsichten auf Blöcke wärmeisolierender Teilchen, die mit den in den Pig. 2a und 2b dargestellten Teilchen gebildet sind.

Pig. 4a und 4b sind Schnittansichten der in den Pig. 3a und 3b dargestellten wärmeisolierenden Teilchen längs der Linien IVa-IVa und IVb-IVb.

Pig. 5a ist eine Vorderansicht einer teilweise geschnittenen Vakuumaufdampfanlage, die vorzugsweise dazu benutzt wird, die hohlen oder massiven Kerne erfindungsgemäß außen zu überziehen.

Pig. 5b ist eine Draufsicht auf die Vakuumaufdampfanlage, die in der Pig. 5a dargestellt ist.

Pig. 5c ist eine Schnittansicht der in der Pig. 5a dargestellten Vakuumaufdampfanlage längs der linie Vc-Vc.

Pig. 6a ist eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnittenen Kesselwagens, bei dem eine Ausführungsform der erftndungsgemäßen überzogenen, wärme isolierenden Teilchen verwandt ist.

Pig. 6b erläutert in einer Teilschnittansicht eine Möglichkeit, die wärmeisolierenden Teilchen von Pig. 6a einzusetzen.

Pig. 7 ist eine Schnittansicht einer Versuchsapparatur, die bei Versuchen nit den erfindungsgemäßen wärme isolierenden Teilchen verwandt wurdei.

Bei der Betrachtung der wärme isölierenden Wirkung eines Wärmeisolators im allgemeinen werden gewöhnlich die molekulare Gas-

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wärmeleitung, die Wärmestrahlung und die Festkörperwärmeleitung als die wichtigsten Faktoren gefunden. Diese Tatsache wird anhand der Fig. 1 hervorgehoben und verdeutlicht, die eine Schnittansicht durch ein sogenanntes metallisches Dewar-Gefäß

1 zeigt. In Fig. 1 ist Tp äie Außentemperatur des metallischen Dewar-ßefässes 1, T^ die Temperatur des Innenraums 2, der beispielsweise verflüssigtes Helium H enthält, Q bezeichnet eine wärmeisolierende Schicht, die sich zwischen eiern Innenraun

2 und dem Außenraum 2¹ befindet, und beispielsweise eine Hooh*- vakuumschicht ist, 3 ist ein Halsrohr aus einem Metall oder einem ähnlichen Material und 4 ist eine den Boden "bildende Stützschicht.

Bei einer solchen Anordnung werden die folgenden Faktoren ge*- wö'hnlich genannt, die ein Übergreifen der Außentemperatur 2 in die Wände des Innenraumes verursachen:

(1) Wärmeleitung durch die in der wärme isolierenden Sohicht Q verbleibenden Gaamoleküle zwischen den Temperaturen T« und T₁.

(2) Strahlung der Temperatur Tp von der Innenfläche des Außenräumeε.

(3) Festkörper-Wärmeleitung, die durch das Metall des Halsrohres 3 auftritt.

(4) Wärmestrahlung von außen durch die Metallstütze 4 und

(5) Wärmeleitung durch Konvexion des an der Innenfläche des Halsrohres 3 und innerhalb des Innenraumes 2 verbleibenden verdampften Gases.

Jedoch stellt die v.'äraeleitung durch Konvexion innerhalb der war ine is öl ie rend en Schicht, wie in Fig. 1 dargestellt, nur einen unbeträchtlichen Teil jder. fiasaoateu «Wärmezuf'uhr dar, so daß die

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unter (1) bis (4) genannten Faktoren, d.h. die molekulare Gaswärmeleitung, Wärmestrahlung und die Festkörperwärmeleitung als die drei wichtigsten Faktoren bei der Erörterung der wärmeisolierenden Wirkung anzusehen sind. Aus diesem Grunde ist ein Wärmeisolator wünschenswert, bei dem diese drei Arten der Wärmeleitung möglichst klein gehalten werden können. Ein solcher Isolator wird durch die erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Teilchen gebildet, die im folgenden anhand der Fig. 2a bis 7 beschrieben werden.

Fig. 2a stellt ein massives Teilchen 5 dar, das aus einem massiven Kern 7 aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kieselerde, Tonerde, Glas oder einem Kunstharz, wie ITylon oder Polytetrafluoräthylen (Teflon) besteht, dessen Außenfläche einen glatten Überzug 8 aus einem Material trägt, das die Wärmestrahlung wirkungsvoll reflektieren kann, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, nichtrostender Stahl oder Titan. Allgemein sollte das verwandte Material geringer Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise ein Material sein, das eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 χ 1Cr Mikrowatt/cm ⁰K aufweist, um die bei der erfindungsgemäßen Isolation erwünschte Wirkung sicherzustellen. Das die Wärmestrahlung reflektierende Material sollte vorzugsweise ein Material mit einer Strahlung sein, die stärksr ist als ein Emissionswert von 0,02 bei 300⁰K. Bei einem Beispiel der Herstellung massiver Kerne von vorzugsweise 0,10 mm bis 1,2 mm Durchmesser, bei dem das oben genannte Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwandt wird, wird eine heiße Lösung des oben genannten Materials· geringer Wärmeleitfähigkeit mit einem bekannten Zerstäuber als ein Sprühnebel in ein Kühlbad gesprüht, um sie durch Abschrecken zu massiven Kernen zu verfestigen, und die so erzeugten massiven Kerne werden nach ihren Durchmessern in zwei Gruppen einheitlichen Durchmessers aussortierte

Um die so erhaltenen Kerne außen mit einer Schicht aus dem oben genannten Material, das die Wärmestrahlung wirkungsvoll

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reflektieren kann, zu überziehen, kann das bekannte Verfahren verwandt werden, das in den Fig. 5a bis 5c dargestellt iat.

In den Fig. 5a bis 5c ist mit 9 eine Aufdampfanlage bezeichnet. In der Mitte des Bodens der Aufdampfanlage 9 ist eine einem Heizfaden 12 ähnliche Heizung eingesetzt. Die Heizung 12 ist mit einer Energiequelle Ά verbunden. Über dieser Heizung 12 liegt ein Kessel 13i der ein zu verdampfendes Element enthält. Geneigte Platten 9a,9a' sind über beiden Seiten des Kessels 13 vorgesehen

Die einander gegenüberliegenden Endflächen der geneigten Platten 9a, 9a¹ sind durch einen bestimmten Spalt 9e getrennt, während ihre anderen Endflächen in ihrer gesamten Länge an den gegenüberliegenden Innenflächen der Aufdampfkammer 9 befestigt sind. Der Spalt 9e,der die gegenüberliegenden Stirnflächen der geneigten Platten 9a und 9a' trennt, ist nahezu gleich oder leicht größer als die Breite der Oberfläche des Kessels 13. Der Spalt 9e befindet sich in einer Ebene, die nahezu vertikal zur Oberfläche des Kessels 13 liegt.

Eine Führung 9b in ?orm eines umgedrehten V ist über dem Spalt 9e vorgesehen. Diese Führung 9b in Form eines umgedrehten V ist durch einen feinen Draht 9c an der gegenüberliegenden Innenwand der Aufdampfkammer 9 angebracht. Die Führung 9b in Form eines umgedrehten V erscheint von oben betrachtet in ihrer Gestalt und Lage so, daß sie den Spalt 9e überdeckt. Die gegenüberliegende yand der Aufdampfkammer 9, die sich in einem bestimmten Abstand oberhalb der Führung 9b in Form eines umgedrehten V befindet, ist ausgeschnitten. Dieser ausgeschnittene Teil 9d steht über einen Schaltmechanismus mit dem Einfüllabschnitt 14 in Verbindung. Der Schaltmechanismus besteht aus einer Schaltplatte 15, die mit einer Durchbohrung 15a an einer bestimmten Stelle versehen ist,und aus Führungen 14a,14b,um die Schaltplatte 15 in die Richtung des Pfeiles in Fig. 5a zu verschieben.

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Die Führungen 14a und 14Ta haben Pichtungen 14e,14d bekannten Typs, wobei die Dichtungen 14e und 14d dazu dienen, das Vakuum in der Auf dampfkammer 9 zu halten. Der Einfüllabschnitt 14 ist mit einem Verbindungsrohr 14f, um mit einer bekannten Vakuumpumpe (nicht gezeigt) verbunden zu werden, und mit einem Verbindungsrohr 14g "versehen, um Luft dem Einfüllabschnitt 14 zuzuführen.

Bei dieser Anordnung wird wahlweise ein guter Wärmestrahlungsreflektor, wie Aluminium, Kupfer, Gold und Silber in den Verdampferkessel 13 eingebracht und die Auf dampfkammer 9 durch. eine bekannte Vakuumpumpe (nicht gezeigt) evakuiert und auf einem Vakuum von 1O~~^ bis 10 Eorr gehalten« Wenn der Energieversorgungskreis E geschlossen ist, wird die Hiezung 12 erwärmt und dadurch, das im Verdampferkessel 13 gehaltene Material verdampft. Die Verdampfungstemperatur eines zu verdampfenden Elementes wird passend zu der Höhe des Vakuums in der Aufdampfkammer 9 in Beziehung gesetzt; Somit steigt das verdampfte Element nach oben. Inzwischen wird durch eine bekannte Einrichtung die Schaltplatte 15 um eine bestimmte Strecke an den jPührungen 14a,14h beispielsweise in die Richtung nach rechts in lig, 5a bewegt, was zur Folge hat, daß die Durchbohrung 15a über dem ausgesßhnittenen Loch 9d in Stellung kommt. Dadurch wird das Innere des Einfüllabsehnittes 14 praktisch auf dem gleichen Vakuum, wie die Auf dampfkammer 9 gehalten, und der Einfüllabschnitt 14 enthält eine gewisse Menge an Kernen 7? die saubere Außenflächen aufweisen, die durch Verlesen und Waschen in Wasser entfettet wurden. Die Kerne 7 wandern durch die Bohrung 15a und das ausgeschnittene Loch 9d, fallen an den geneigten Außenr· flachen der lührung in Porm eines umgedrehten V 9b und den Außenflächen der geneigten Platten 9a,9a' entlang und erreichen durch Auslaßöffnungen 9f,9f', die an der Innenwand der AufdampfkatnEier 9 nahe dem unteren Seil der geneigten Platten 9a,9a¹ ausgebildet sind, einen nicht gezeigten Ablage ort _t Der Ablageort wird durch ein bekanntes Verfahren auf einem Vakuum der gleichen Stärke, wie das Vakuum der Aufdampfkammer 9 gehalten. Wenn der

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Durchmesser des ausgeschnittenen Loches 15a UOä die Bfeigangen der Führung 9b in Form eines umgedrehten ¥ und die der geneigten Platten 9a,9a' passend festgelegt sind, wird das verdampfte Element sich während des Fallvorganges um die Kerne 7 absetzen und ein nahezu homogener Überzug aus diesem Element auf den Kernen 7 ausgebildet. Um die Kerne 7 dazu zu bringen, daß sie getrennt voneinander durch das ausgeschnittene Loch 9d und an der Führung 9b in Form eines umgedrehten V und den geneigten Platten 9a,9a¹ entlang fallen, ist es möglich, falls notwendig, einen bestimmten Unterschied in der Höhe des Vakuums zwischen dem Einzelabschnitt 14 und der Aufdampfkammer 9 vorzusehen. Mach der Aufdampfbehandlung können die auf diese Weise überzogenen. Kerne an einem offenen Ablageort (nicht gezeigt) gesammelt werden, der am linde der Auslaßöffnung 9f,9f' vorgesehen ist. Nach dem Sammeln der Kerne wird der Ablageort geschlossen. Bevor Kerne am Einlaßabschnitt wieder eingefüllt werden, wird die Schaltplatte 15 zunächst nach links verschoben, so daß das ausgeschnittene Loch 15a in die in Fig. 5a dargestellte Lage kommt, wodurch die Schaltplatte die Aufdampfkammer 9 von dem Einfüllabschnitt 14 abschneidet. Als nächstes wird in der Aufdampfkammer 9 ein Vakuum erzeugt. Dann wird unter Verwendung der Verbindungsrohre 14g,14f das Vakuum in dem Einfüllabschnitt 14 aufgehoben. Als nächstes wird der Deckel 14e mit buckelförmigem, Querschnitt des Einfüllabschnittes 14 mit Hilfe eines Griffes 14j geöffnet, der an der Spitze des Buckels ausgebildet ist, und werden durch diese Öffnung die Kerne 7 in den Einfüllabachnitt 14 eingefüllt. Daraufhin wird der Deckel 14e wieder verschlossen. Unter Verwendung der Verbindungsrohre 14g,14f wird das Vakuum im Einfüllabschnitt 14 wieder auf im wesentlichen dieselbe Höhe, wie in der Aufdampfkammer 9 gebracht. Durch die Wiederholung des Verfahrens ist es möglich, um die Kerne 7 einen überzug aus einem Material aufzubauen, das die Wärmestrahlung gut reflektiert.

In den Fig. 5a bis 5c ist 10 ein Leitungshahn, 11 ein Vakuummeßgerät und 14h eine bekannte Dichtung, die am Rand der Ober-

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fläche des Einfüllabschnittes 14 vorgesehen ist.

In diesem Falle hängt die maximale Reflexion der Wärmestrahlung von der Dicke der Überzüge in bezug auf den Durchmesser der Kerne ab. Wenn der Durchmesser der Kerne 7 beispielsweise 0,1 bis 1,2 mm beträgt, beträgt die bevorzugte Dicke der Überzüge 0,1μ bis 1,2μ.

In Pig. 2b ist das !Teilchen 6 als Beispiel für ein hohles Teilchen dargestellt. Zur Herstellung eines hohlen Teilchens 6 kann wiederum die 'Aufdampfanlage von Pig. 5 verwandt werden. Zunächst wird eine Kugel mit einem bestimmten Durchmesser aus einem Material, das bei niedrigen Temperaturen leicht zu zersetzen ist, z.B. aus geschäumtem Polystyrol, geformt oder gegossen. Die Kugel wird in den Einfüllabschnitt 14 von Pig. 5 eingesetzt, während ein Element mit geringerer Wärmeleitfähigkeit, das die Wand 7' des hohlen Teilchens bilden soll, in den Verdampferkessel 13 eingebracht wird. Durch Erhitzen des Glühfadens 12 wird das verdampfte Element an der Außenfläche der oben genannten Kugel niedergeschlagen, wodurch eine Wand 7¹ aus einem Element geringer Wärmeleitfähigkeit mit einem Innendurchmesser gebildet wird, der dem bestimmten Durchmesser der Kugel entspricht. Dann wird auf ähnliche Weise, wie es in Zusammenhang mit Pig. 2 beschrieben wurde, ein Material um die Wand 7' vorgesehen,das wirkungsvoll Wärmestrahlung reflektiert. Das so vorbereitete Teilchen wird getrocknet und dann auf etwa 100⁰C erhitzt, um das geschäumte Polystyrol zu zersetzen, wodurch das hohle Teilchen 6. zurückbleibt. Wenn die Kugel aus einem Material, wie geschäumtem Polystyrol, hergestellt ist, das beim Verbrennen oder Zersetzen Kohlensäure erzeugt, enthält das resultierende hohle Teilchen nun abgedichtet Kohlensäuregas. Wenn das hohle Teilchen einer niedrigen Temperatur von beispielsweise weniger als 19O⁰K ausgesetzt wird, gefriert die Kohlensäure, wobei ein hohler Vakuumkern zurückbleibt, was äußerst wünschenswert in Hinblick auf eine Warmeisolationswirkung ist.

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Das Verhältnis zwischen der Wanddicke und der Dicke des Überzugs des hohlen Teilchens ist innerhalb von Grenzen gewählt, die sicherstellen, daß das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht wird. Wenn beispielsweise der Durchmesser des hohlen Teilchens als Ganzes vorzugsweise 0,1 bis 1,2 mm beträgt, beträgt die bevorzugte Dicke für die Wand 3 bis 200μ und für den Überzug 0,1 bis 1,2μ.

Die Teilchen 5 oder 6, die wie in den Pig. 2a oder 2b hergestellt sind, werden so miteinander verbunden,daß benachbarte Teilchen in Punktkontäkt P miteinander kommen'und zu einem rechteckigen Kubus bestimmter Dicke, wie in den Pig. 3a,3b und 4a,4b (fergestellt, geformt. Um die Teilchen miteinander zu verbinden, können bekannte Sinterverfahren verwandt werden. Wenn z.B. ein rechtwinkliger Kubus aus miteinander verbundenen Teilchen geformt werden soll, werden die Teilchen mit einem bekannten Bindemittel vermischt und in eine bekannte Metallform eingebracht, deren Gestalt dem rechtwinkligen Kubus entspricht, und die dann mit einer elektrischen Heizung auf beispielsweise 60O⁰C 30 Minuten lang erhitzt wird. Dabei verdampft das Bindemittel und verschwindet auf die bekannte V/eise, wobei die Teilchen im Zustand des Punktkontaktes miteinander zurückgelassen werden. Zum Binden kann ein hochmolekulares Bindemittel verwandt werden, wobei in diesem Falle der Heizvorgang unnötig wird.

Die Pig. 3a,4a und 3b,4b erläutern jeweils rechteckige Kuben 5·»6* bestimmter Dicke, die aus miteinander verbundenen Teilchen 5 und 6, wie sie in den Fig. 2a und 2b dargestellt sind, bestehen. Hit dem oben beschriebenen Verfahren können beide Teilchen 5 oder 6 miteinander verbunden werden.

Wie es in der Fig. 6a dargestellt ist, kann der erfindungsgemäß hergestellte Wärmeisolator zur Uarmeisolation eines Fahrzeugs zum Transport verflüssigten Propangases LPG verwandt werden, da3 auf einer Temperatur unter wenigstens -42,1⁰C gehalten wer-

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den muß. Mit 16 ist das Fahrzeug bezeichnet, auf dessen Wagenrahmen 25 ein Betonbett 17 zur Aufnahme des das LPG enthaltenden Raumes 18 angebracht ist. Zwisehen der Innenwand 26 und der Außenwand 21 der Seiten dieses Raumes 18 und zwischen der Innenwand

25 und der Außenwand 20 des Daches sind wärmeisolierende Schichten 24 vorgesehen, in denen in bestimmten Abständen Blöcke 5¹ oder 6' aus erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Teilchen 5 oder 6 angeordnet sind. Statt in Form von den in Fig. 6 gezeigten Blocks angeordnet zu sein, können die isolierenden Teilchen 5 oder 6 in einer Form vorgesehen sein, die der Gestalt der wärmeisolierenden Schicht 24 folgt. Mit 19 ist die Endfläche des Fahrzeuges 16 bezeichnet, 22 bezeichnet ein Rad des Fahrzeugs 16.. ■

Es sind verschiedene Verfahren denkbar, die geformten, wärmeisolierenden Teilchen 5¹ oder 6¹ zwischen die Innen- und die Außenwand des das LPG enthaltenden Raumes einzusetzen. Beispielsweise können,wie in Fig. 6b dargestellt, Isolatorbefestigungen 27 und 28 an,den gegenüberliegenden Außenflächen der Innenwand

26 und der Außenwand 21 vorgesehen sein, und die geformten, wärmeisolierenden Teilchen 5' oder 6¹ können dazwischen einge7 setzt und befestigt sein. Es ist wünschenswert, daß die Be^- . festigungen 27 und 28 auch erfindungsgemäße Wärmeisolatoren sind.

Die wärmeisolierende Wirkung kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß die Zwischenräume in der wärmeisolierenden Schicht 24 in einem gewissen Ausmaß evakuiert werden, wodurch sich zusätzlich der Vorteil der bekannten Vakuumwärmeisolierung ergibt. Wenn der erfindungsgemäße Wärmeisolator in eine Kohlensäuregasatmosphäre gebracht wird, kann die Evakuierung noch anschliessend an das Gefrieren des Kohlensäuregases, das dadurch geschieht, daß die Wärmeisolationsschicht auf einer Temperatur von weniger als etwa 190⁰K gehalten wird, durchgeführt werden. Im Falle der hdJen Teilchen von Fig. 2b kann weiterhin sowohl ein inneres als auch ein äußeres Vakuum erzielt werden, was die wärmeisolierende Wirkung noch weiter verstärkt. Wenn solche Teilchen zum Zeit-

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punkt des Einbaus Kohlensäure enthalten, wird die oben genannte Behandlung bei weniger als 190°K sowohl das Gefrieren des Gases als auch die Erzeugung eines Vakuums bewirken.

Die erfindungsgemäßen hohlen oder massiven Teilchen, die einen Wärmeisolator bilden, besitzen alle eine geringe Wärmeleitfähigleit. Darüberhinaus werden die Teilchen miteinander im Zustand des Punktkontaktes verbunden, und die Wärmeleitung erfolgt durch den Überzug. Daher ist die Festkörperwärmeleitung extrem gering. Weiterhin minimalisieren die schmalen Zwischenräume zwischen den Teilchen die Wärmeleitung durch Konvexion. Ein Evakuieren der wärmeisolierenden Schicht in einem erfindungsgemäßen Wärmeisolator wird die wärmeisolierende Wirkung weiter verstärken. Da die Teilchenoberfläche mit einem Material überzogen ist, das einer geringeren Wärmestrahlung unterworfen ist, kann die Warmestrahlung bis zum äußersten abgeleitet werden, wodurch ein Wärmetransport unterdrückt wird.

Wenn der erfindungogemäße Wärmeisolator weiterhin aus Teilchen in einem Zellaufbau besteht, ist eine ausreichende mechanische Festigkeit sichergestellt. Wenn hohle Kerne zum Herstellen der Teilchen verwandt werden, wird der erhaltene Wärmeisolator äußerst leicht sein. Selbst bei der Verwendung massiver Kerne zeigt sich, daß das Produkt bei v/eitern leichter ist als ein Produkt, das unter Verwendung herkömmlicher wärmeisolierender Teilchen erhalten würde.

In Abhängigkeit von der beabsichtigen Verwendung der erfindungsgemäßen wärme isölie renden Teilchen ist es möglich, den Teilchen eine elektrische Leitfähigkeit, einen Korrosionswiderstand oder eine elektrische Isolationsfähigkeit zu verleihen. Wenn beispielsweise ein Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Geld, Saber, Aluminium oder Kupfer, als Überzug für die Kerne verwandt wird, wird der erhaltene Wärmeisolator eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, da der Isolator eine elektri-

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sehe Verbindung vieler Teilchen darstellt, von denen jedes eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Wenn das Überzugsmaterial nichtrostender Stahl oder Titan ist, wird der erhaltene Isolator einen hohen Korrosionswiderstand aufweisen, und falls beispielsweise ein hochmolekulares Bindemittel zum Binden der Teilchen verwandt wird, wird der Isolator eine elektrische Isolationsfähigkeit zeigen. . .

Der um die Kerne gebildete Überzug ist nicht auf eine einzige Schicht begrenzt, wie es bei den Ausführungsformen der Erfindung gezeigt ist, sondern kann ein mehrfacher Überzug sein.

Im folgenden werden einige der Ergebnisse von Versuchen dargestellt, die zur Bekräftigung der Wirkung des erfindungsgemäßen Wärmeisolators durchgeführt wurden:

1. Wärmeleitfähigkeitstest. '

(1) Testaufbau und Testverfahren.

Es wurde ein bekannter Testaufbau, wie er in der Pig. 7 dargestellt ist, verwandt. In Pig. 7 ist mit 29 die Testanordnung bezeichnet, 30,31 sind Kammern mit verflüssigtem Stickstoff, vobei die Kammer 30 über ein Verbindungsrohr 30t mit einem ITaßgasmesser 34 und die Kammer 31 über ein Verbindungsrohr 31t mit einer Gasauslaßöffnung (nicht gezeigt) verbunden ist.

32 ist ein Kessel, der die zu testenden Kerne enthält. Der Raum 3 5, der von der Innenwand der Testanordnung 29 und der Außenwand des Kessels 32, der die zu testenden Kerne enthält, gebildet wird, wird auf einer konstanten Temperatur durch ein bekanntes Verfahren gehalten. Der Raum 33, der mit einer bekannten Vakuunpumpo verbunden ist, wird unter Vakuum gehalten. 30h ist ein Durchlaß, 36,36'■ sind Wasser Sättigungskammern.

Bei dieser Anordnung stehen die Außenwand und der äußere Boden des Kessels 32, der die zu testenden Kerne enthält, mit dem

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Raum 35 unter konstanter Temperatur in Verbindung, während die obere Außenfläche des Kessels 32 und die Kammern 30,31, die den verflüssigten Stickstoff enthalten, mit der Vakuumkammer 33 in Berührung stehen. Damit ist e3 durch Messen dea Ausmaßes, mit dem die Temperatur in dem Raum 35 mit konstanter Temperatur um den Kessel 32 herum auf die Kammer, die den verflüssigten Stickstoff enthält, übertragen wird, möglich, die Wärmeleitfähigkeit der Kerne zu prüfen,und dieses kann, wie allgemein bekannt, durch Messen des in der Kammer 30, die den verflüssigten Stickstoff enthält, erzeugten Gases mit Hilfe eines bekannten Gasineßgerätes 34 und durch Umrechnung des gemessenen Viertes erfolgen.

(2) Probestück.

Das Probestück war eine massive, mit Aluminium überzogene Glasperle, deren äußerer Durchmesser 200μ bis 500μ betrug und deren Überzug eine Dicke von 0,1 bis 1,2μ aufwies. Der Kessel 32 war vollständig jeweils mit solchen Perlen nahezu des gleichen Durchmessers gefüllt, die ohne miteinander verbunden zusein, getrennt waren.

Zum Vergleich-der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem erfindungsgemäßen Isolator und der Wärmeisolationsfähigkeit der bekannten Isolationen wurde andererseits der Kessel 32 mit einem ähnlichen bekannten Wärme isolator, d.h. mit einem Perl it-V/ärme isolator, und Glasfasern gefüllt.

(3) Testergebnisse:

Zu testende Kerne: Wärmeleitfähigkeit ():

Cu Iv

Perlit-Värmeisolatoren . 5,5 bis 63 Glasfasern 4,2 bis 29,0

erfindungsgetnäß mit Aluminium überzogene Glasperlen 1,4 bis 0,4

Es hat sich bestätigt, daß massive Glasperlen mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 1,2 mm, die mit einem Überzug der Dicke

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von 0,1 bis 1,2 μ jeweils mit Aluminium, Silber und Elckel überzogen sind, Wärmeleitfähigkeitswerte zeigen, die in dem Bereich der oben genannten Testergebnisse fallen. Oasselbe kann über die Wärmeleitfähigkeit von hohlen Tonerdekernen gesagt werden, die jeweils mit Aluminium, Silber und nickel überzogen sind (äußerer Durchmesser 0,1 bis 1,2 mm, Wandstärke 3 bis 200 μ, Dicke des Überzugs 0,1 bis 1,2 μ).

2. Festigkeitstest.

Massive Teilchen mit einem Außendurchmesser von 300μ und einer Stärke des Überzugs, von Ό,3μ wurden als Proben verwandt und einem Bruchtest mit den folgenden Ergebnissen unterworfen:

Teilchen Bruchfestigkeit (kg/cni2)

Kern Überzug

Glasperlen Aluminium ' 215,5 Silber 125,4

Aus dem Obigen ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Wärmeisolator die folgenden Eigenschaften hat:

(1) Im Gegensatz zu den herkömmlich geschäumten Produkten verunreinigt er die Atmosphäre nicht mit dem Aufschäumgas, das die Luft oder andere atmosphärische Gase ersetzt noch erleidet er eine Beeinträchtigung seiner Wärmeisolationswirkung.

(2) Im Gegensatz zum Hochvakuumwärmeisolator unterliegt er keinem Eindringen von Wärme durch Pestkörperv/ärmeleitung.

(3) Ia Gegensatz zur herkömmlichen Wärmeisolationsfähigkeit ist die Wärmeleitung frei von einem Einfluß des Teilchenzustan-

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des, wobei die Reflexion der Wärmestrahlung äußerst gut ist.

(4) Im Gegensatz zu dem Vielschichtwarraeisolator ist das Problem dos Verbiegens jeder Schicht behoben. Vielmehr besitzt der erfindungsgomäße Isolator eine ausreichende mechanische Festigkeit und kann vollständig als Stütz- oder anderes Bauteil eines Aufbaus oder einer Vorrichtung verwandt werden.

Die vorliegende Erfindung liefert damit ausgezeichnete, wärmeisolierende Teilchen, die vollkommen die drei Erfordernisse, nämlich die Isolierung gegenüber der molekularen Gaswärmeleitung, der Wärmestrahlung und der Eestkörperwärmeleitung erfüllen und weiterhin eine genügende mechanische Festigkeit zeigen.

An den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können noch weitere Änderungen und Abänderungen vorgenommen worden. Beispielsweise kann eine wärmeisolierende Schicht aus sowohl hohlen al3 auch massiven Teilchen gebildet werden.

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Claims

Patentansprüche

Wärmeisolator, gekennzeichnet durch eine Anzahl von glatten, wärmeisolierenden Teilchen, von denen jedes einen hohlen oder massiven inneren Kern aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist, der mit einem Material darauf überzogen ist, das so gewählt ist, daß es die darauf treffende Wärmestrahlung reflektiert.
2. Wärmeisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall geringer Wärmeleitfähigkeit Kieselerde, Tonerde, Glas oder ein Kunstharz ist, und daß das Material, das zur Reflexion der Wärmestrahlung gewählt ist, Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, nichtrostender Stahl oder Titan ist.
3. Wärmeisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen so miteinander verbunden sind, daß ihre Außenflächen einen Punktkontakt dazwischen bilden.
4. Wärmeisolator, gekennzeichnet durch eine Anzahl von nahezu kugelförmigen, glatten, wärmeisolierenden Teilchen, von denen jedes einen nahezu kugelförmigen, inneren Kern mit einem Durchmesser von etwa 0,10mm bis etwa 1,2 mm aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die weniger als etwa 1 χ 10⁴ beträgt, aufweist, der darauf mit einem

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Überzug einer Dicke von etwa 0,1 μ bis etwa 1,2μ aus einem Material versehen ist, das einen Emissionswert von mehr als etwa 0,02 bei 300⁰K besitzt.
5. Warmesilator nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kern ein massiver innerer Kern mit einem Durchmesser von 0,10 mm bis etwa 1,2 mm ist.

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6. Wärmeisolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder innere Kern ein massiver innerer Kern mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis etwa 1,2 mm ist, und der Überzug eine Dicke von etv/a 0,1 bis etwa 1,2 μ aufweist.
7. Wärmeisolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder innere Kern ein hohler innerer Kern ist, der einen Außendurchmesser von etwa 0,1 bis etwa 1,2 mm aufweist.
8. Wärmeisolator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des hohlen, inneren Kerns etwa 3 bis 200 μ beträgt.
9. Wärmeisolator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke von etwa 0,1 bis etwa 1,2 μ aufweist.
10. Wärmeisolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder innere Kern aus Kieselerde, Tonerde, Glas oder einer. Kunstharz besteht.
11. Würmeisolator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz Nylon oder Polytetrafluoräthylen (Teflon) ißt.
12. Wärme isolator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, nichtrostendem Stahl oder Titan besteht.
13. Wärmeisolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen so miteinander verbunden sind, daß sich die Außenflächen benachbarter Teilchen im Punktkontakt befinden.
14. Wärmeisolator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen Teilchen eine Anzahl von blockähnlichen Elementen bilden, die in Abständen, getrennt durch Vakuumzwischenräume, angeordnet sind.

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15. Wärme isolator, na oh Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterten Teilchen eine Anzahl von blockähnlichen Elementen bilden, die in Abständen durch Räume getrennt angeordnet sind, die Kohlensäure enthalten,
16. Verfahren zum Herstellen hohler, wärmeisolierender Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein kugelförmiges Teil aus einem Material, das sich bei niedrigen Temperaturen leicht zersetzt, gebildet wird, dieses Teil mit einem Material überzogen wird, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit"aufweist, das Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit mit einem Material überzogen wird, das so gewählt ist, daß es darauf . fallende Wärmestrahlung reflektiert, und daß das resultierende, zusammengesetzte.Teil auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, das kugelförmige Teil zu zersetzen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das kugelförmige Teil aus geschäumtem Polystyrol besteht.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erhitzte, zusammengesetzte Teil auf eine ausreichend niedrige Temperatur gekühlt wird, um das von der Zersetzung des geschäumten Polystyrols verbleibende Kohlensäuregas zu gefrieren. '
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ausreichend niedrige Temperatur unter etwa 19O°K liegt.

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