DE3038142C2 - Thermische Isolierung - Google Patents

Thermische Isolierung

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kopplung zweier, gemeinsam oder getrennt getakteter digitaler Rechnersysteme, bestehend aus jeweils mindestens einer Zentraleinheit (CPU) mit Programm- und Arbeitsspeicher, sowie Ein- und Ausgabeeinheiten, über eine innerhalb des technisch möglichen Adreßbereiches der beteiligten Rechnersysteme liegende gemeinsame Arbeitsspeichereinheit. Um die Steuerung des Datenaustausches zwischen mindestens zwei digitalen Rechnersystemen so zu vereinfachen, daß nicht mehr spezielle Programmsequenzen durchgeführt werden müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Adreß- (8, 9), Daten- (4, 5) und Steuerleitungen (c, d, e, f) der beteiligten Systeme (I, II) jeweils an die gemeinsame Arbeitsspeichereinheit herangeführt und über Torschaltungen (1, 2, 10, 11), die von abgeleiteten Signalen aus den Adreß- (8, 9) und Steuerleitungen (c, d, e, f) gesteuert werden, mit dem eigentlichen Speicher (7) für Lese- und Schreibzugriff der Arbeitsspeichereinheit verbunden werden, wobei für die effektive Zugriffszeit des jeweils einen digitalen Rechnersystems (z.B. I) das jeweils andere digitale Rechnersystem (z.B. II) über ein ebenfalls aus den Adreß- und Steuerleitungen abgeleitetes Signal in kurze Wartezyklen gezwungen wird, die kürzer als ein Zugriffsversuch eines der beiden digitalen Rechnersysteme (I oder II) bevorzugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Isolierung mit einem gasdicht verschlossenen, bis auf einen Restgasdruck von weniger als 133 mbar evakuierten Hohlraum, der ein pulverförmiges- Isoliermaterial enthält
Solche thermischen Isolierungen kommen in der Energietechnik zur Anwendung, insbesondere bei Einrichtungen, be: denen Wärmeverluste vermieden werden sollen. Thermische Isolierungen werden vor allem bei Hochtemperatur-Speicherbatterien auf der Basis von Alkalimetall und Chalkogen verwendet, die mit einer Wärmedämmung umgeben sind, um eine Abkühlung der Speicherzellen vor allem in den Betriebspausen zu verhindern.
Aus der GB-PS 1168 206 ist eine thermische Isolierung für den Tieftemperaturbereich bekannt Diese Isolierung ist insbesondere für Rohrleitungen ausgelegt, in denen flüssiges Naturgas transportiert wird. Die Isolierung wird durch einen Hohlraum gebildet der teilweise evakuiert und mit einem pulverförmigen Isoliermaterial ausgefüllt ist. Als Isoliermaterial wird Baryt verwendet, das als Zusatz Aluminiumoxid enthält
Von Nachteil ist bei dieser Isolierung, daß sie nicht für den Hochtemperaturbereich geeignet ist Ferner kann sie keinen Druckbelastungen ausgesetzt werden, ohne daß dadurch ihre Festkörperleitfähigkeit wesentlich vergrößert wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine thermische Isolierung für den Hochtemperaturbereich, insbesondere für Temperaturen von 350° C und mehr zu schaffen, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, druckbelastbar ist und in ihren Abmessungen bzw. ihrem Bauvolumen sehr klein gehalten ist
Die Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum höchstens einen Restgasdruck von 1 bis lOmbar aufweist und mit zwei, pulverförmigen, miteinander vermischten, infrarotoptischen Trübungsmitteln vollständig ausgefüllt ist.
Das erste infrarotoptische Trübungsmittel weist eine Primärteilchengröße von 0,01 bis 0,03 μηι auf und hat einen großen Brechungsindex im Infrarot. Ferner umfaßt das in den Hohlraum gefüllte, pulverförmige Gemisch ein zweites infrarotoptisches Trübungsmittel, das einen Primärteilchendurchmesser von 0,2 bis 0,5 μπι aufweist. Das zweite infrarotoptische Trübungsmittel besitzt in vorteilhafter Weise eine nadeiförmige Kristallstruktur. Insbesondere sind die Längsachsen der nadeiförmigen Kristalle senkrecht zum Verlauf der Temperaturgradienten angeordnet. In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem zweiten Trübungsmittel um ein ferromagnetisches Material. Als erstes Trübungsmittel kommt vorzugsweise Titanoxid zur Anwendung, während als zweites Trübungsmittel Magnetit Fe3O4 verwendet wird. Die beiden infrarotoptischen Trübungsmittel können im Mischungsverhältnis 1 : 2 bis 10:1 Gewichtsanteüen Titanoxid und Magnetit als
Isoliermaterial in den Hohlraum gefüllt werden. Insbesondere wird das die beiden Trübungsmittel umfassende Gemisch mit einer hohen Porosität in den Hohlraum gefüllt Eine niedrige Porosität des Gemischs bedeutet eine große Dichte, was wiederum eine große Festkörperleitfähigkeit des Gemischs bedeutet, während bei hoher Porosität das Pulvergemisch im Infraroten wieder durchsichtig wird. Die beiden Trübungsmittel können zum Beispiel in einem Mischungsverhältnis von 1 :1 und einer Dichte von Q < 0,48 g/cm3 in den Hohlraum gefüllt werden. Ein Mischungsverhältnis von zwei Gewichtsanteilen Titanoxid und einem Gewichtsanteil Eisenoxid in einer Dichte - von ρ < 0,36 g/cm3 ist ebenfalls möglich. Die beiden pulverförmigen Trübungsmittel können beim Einfüllen oder zu einem früheren Zeitpunkt miteinander vermischt werden. Bei einem Restgasdruck von höchstens 1 bis 10 mbar innerhalb des Hohlraums wird bei Anwendung eines der oben angegebenen Mischungsverhältnisse, z. B. bei einer Temperatur von 300°Ceine Wärmeleitfähigkeit λ < 5 ■ W~3 W/(m · K) erreicht
Erfindungsgemäß wird der die Isolierung bildende Hohlraum mit zwei miteinander vermischten Trübungsmitteln ausgefüllt, die einen hohen Brechungsindex im Infraroten aufweisen und deshalb besonders zur Strahlenextinktion geeignet sind. Durch die Zugabe von Magnetit zum Titanoxid wird die Strahlungsextinktion verstärkt Hiermit läßt sich die "P-Abhängigkeit der Strahlungsleitfähigkeit noch besser reduzieren als mit reinem Titanoxid. Wie bereits erwähnt wird als zweites Trübungsmittel insbesondere Magnetit verwendet, da dieses zum Teil eine nadeiförmige Kristallstruktur aufweist Erfindungsgemäß werden diese nadeiförmigen Kristalle beim Einfüllen des Pulvergemisches in den Hohlraum unter Zuhilfenahme eines außen angelegten Magnetfeldes so angeordnet, daß ihre Längsachsen senkrecht zur Richtung der Temperaturgradienten ausgerichtet sind. Die Orientierung der Kristallnadeln des Magnetits wird dann durch das Verdichten des Pulvergemischs z. B. durch Rütteln oder Pressen so fixiert, daß eine andere Ausrichtung der Nadeln nicht mehr möglich ist. Durch diese Maßnahme wird die Unterdrückung der Strahlungsleitung und der Festkörperleitung begünstigt. Die Orientierung der nadeiförmigen Kristalle des Fe3O4 in die oben angegebene Richtung bewirkt eine Reduzierung der Festkörperleitfähigkeit, da der Wärmestrom in die Richtung der längeren Achsen der Kristallnadeln gelenkt wird. Ferner wird hierdurch die Strahlungsleitfähigkeit durch erhöhte Streuquerschnitte reduziert.
Erfindungsgemäß wird das in den Hohlraum eingefüllte Fe3O4 zusätzlich zur Ausbildung des Vakuums im Hohlraum verwendet.
Insbesondere wird hierbei von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß dieses Eisenoxid Fe3O4 auch in der Form FeO · Fe2O3 vorliegt. Beim Erhitzen dieses Materials kommt es zu einer Sauerstoffaufnahme des FeO, wobei dieses in eine höhere Oxidationsstufe, insbesondere in Fe2O3 umgesetzt wird. Durch die Bindung des Sauerstoffs an das Eisenoxid wird der Partialdruck des im Hohlraum vorhandenen Sauerstoffs zusätzlich abgebaut.
Durch das Ausfüllen des Hohlraumes mit den beiden miteinander vermischten infrarotoptischen Trübungsmitteln erhalten die metallischen Begrenzungswände desselben eine ausreichende Abstützung. In jedem Fall ist das die beiden Trübungsmittel umfassende pulverförmige Gemisch mit einer solchen Porosität in den Hohlraum zu füllen, daß die metallischen Begrenzungswände auch bei einem sehr geringen Restgasdruck ρ = 0,1 mbar sich nicht nach innen biegen. Falls es die Gegebenheiten erfordern, kann das die beiden Trübungsmittel umfassende pulverförmige Gemisch zur besseren Abstützung der Begrenzungswände wenigstens bereichsweise mit einer niedrigeren Porosität innerhalb des Hohlraumes angeordnet werden. Dabei ίο muß allerdings eine geringe Erhöhung der Festkörperleitfähigkeit in diesen Bereichen in Kauf genommen werden. Die Wärmedämmwirkung der erfindungsgemäßen Isolierung wird dadurch jedoch insgesamt nicht beeinträchtigt Erfindungsgemäß kann die Druckfestigkeit der Isolierung auch dadurch erhöht werden, daß dem die beiden Trübungsmittel umfassenden Gemisch ein Zusatz von etwa 50 bis 80 Gew.-% hochdisperser Kieselsäuren, z. B. Silizium-Aerogele und zur Erhöhung der Biegefestigkeit 5 bis 10Gew.-% Mikrofasern als Zusatz beigegeben werden. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird die Festkörperleitfähigkeit nicht erhöht Bei den Fasern, die den beiden miteinander vermischten Trübungsmitteln zugesetzt sind, handelt es sich inbesondere um Glas- oder Keramikfasern. Die Fasern müssen ebenso wie die Kristallnadeln des Magnetits senkrecht zum Verlauf der Temperaturgradienten innerhalb des Hohlraumes angeordnet werden. Die verwendeten Fasern sollen einen Durchmesser von < 15 μπι und eine Länge von nicht mehr als 5 bis 10 mm aufweisen.
In vorteilhafter Weise kann die thermische Isolierung nicht nur für die Wärmedämmung von Einrichtungen verwendet werden, die eine Temperatur zwischen 300 und 6000C aufweisen, vielmehr besteht die Möglichkeit, die thermische Isolierung auch im Hochtemperaturbereich anzuwenden. Insbesondere kommt die Isolierung z. B. als Wärmedämmung für Rohrleitungsnetze in Frage, die für den Transport von strömenden Medien vorgesehen sind. Insbesondere ist diese thermische Isolierung für Temperaturen von 800° C und mehr ausgelegt Insbesondere ist sie für die Wärmedämmung von Rohrleitungssystemen gedacht, die sich über mehrere Kilometer erstrecken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine elektrochemische Batterie mit thermischer Isolierung,
Fig.2 einen Horizontalschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Speicherbatterie,
F i g. 3 eine für heiße strömende Medien vorgesehene Rohrleitung mit der erfindungsgemäßen thermischen Isolierung.
F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße thermische Isolierung 1, die um eine elektrochemische Speicherbatterie angeordnet ist. Die thermische Isolierung wird dabei durch einen gasdichten Hohlraum gebildet, der vollständig mit einem pulverförmigen Gemisch ausgefüllt ist, das zwei infrarotoptische Trübungsmittel 3 und 4 umfaßt. Der gasdicht verschlossene Hohlraum 2 wird bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel durch zwei quaderförmige, hohle metallische Körper 5 und 6 gebildet. Die beiden Hohlkörper 5 und 6 weisen unterschiedliche Kantenlängen auf, wobei der kleinere Körper 5 konzentrisch innerhalb des größeren Körpers angeordnet ist. Die Begrenzungsflächen der quaderförmigen Körper 5 und 6 sind aus Edelstahl gefertigt. Die Abmessungen des kleineren, quaderförmigen Körpers 5 sind so gewählt, daß der zwischen den beiden Körpern 5
und 6 liegende Hohlraum 2 die für ihn erforderlichen Abmessungen erhält. Insbesondere richtet sich die Breite dieses Hohlraumes nach der gewünschten Dicke der erfindungsgemäßen thermischen Isolierung 1. Die metallischen Begrenzungsflächen der beiden quaderförmigen Körper 5 und 6 sind gasdicht miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt. Dadurch wird erreicht, daß der zwischen ihnen liegende Hohlraum 2 ebenfalls gasdicht verschlossen ist. Vor dem endgültigen, gasdichten Verschließen des Hohlraumes 2 wird dieser mit dem pulverförmigen Gemisch, bestehend aus den beiden infrarotoptischen Trübungsmitteln 3 und 4, gefüllt. Erfindungsgemäß wird hierfür als erstes Trübungsmittel 3 Titanoxid und als zweites Trübungsmittel 4 Fe3O4 verwendet. Bei dem hier beschriebenen Beispiel sind die beiden infrarotoptischen Trübungsmittel 3 und 4 in einem Mischungsverhältnis von 1 :1 in den Hohlraum eingefüllt. Vorzugsweise weist die Porosität des eingefüllten pulverförmigen Gemisches einen Wert jr auf, der zwischen 0,89 und 0,95 liegt. Innerhalb des Hohlraumes 2 wird ein Gasdruck angestrebt, der höchstens einen Wert von 1 bis 10 mbar aufweist. Vorzugsweise wird ein Restgasdruck von ρ = 0,1 mbar angestrebt. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, insbesondere der Tragfähigkeit der erfindungsgemäßen thermischen Isolierung, ist den beiden infrarotoptischen Trübungsmitteln 3 und 4 ein Zusatz an hochdispersen Kieselsäuren TA und Fasern TB beigemischt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel betragen die Gewichtsanteile der hochdispersen Kieselsäuren etwa 50 bis 80%, die Gewichtsanteile der Fasern betragen etwa 5 bis 10%. Vorzugsweise wird das die beiden optischen Trübungsmittel 3 und 4 umfassende pulverförmige Gemisch mit Glas- oder Keramikfasern IB dotiert. An hochdispersen Kieselsäuren werden Silizium-Aerogele zugegeben. Die hier verwendeten Fasern TB werden zusammen mit den Trübungsmitteln 3 und 4 derart in den Hohlraum 2 eingefüllt, daß ihre Ausdehnungsrichtung senkrecht zum Verlauf der Temperaturgradienten angeordnet ist Der Durchmesser der hier verwendeten Fasern 7£ist kleiner als 15 μπι. Die Fasern 7B sind nicht langer als 5 bis 10 mm. Die in Fig. t dargestellte und hier beschriebene thermische Isolierung hat bei 3000C nur eine Wärmeleitfähigkeit λ < 5 · 10-3 W/(m . κ).
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die thermische Isolierung um eine elektrochemische Speicherbatterie angeordnet, die aus einer oder mehreren Speicherzellen 8 auf der Basis von Natrium und Schwefel aufgebaut ist Die Speicherzellen 8 sind im Inneren des quaderförmigen Hohlkörpers 5 angeordnet Sie sind bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispic'. nur schernatisch dargestellt Die Speicherzellen 8 sind unter Zwischenschaltung von elektrisch leitenden Bauelementen 9 auf einer inneren Begrenzungswand des quaderförmigen Hohlkörpers 5 abgestützt. Hierbei dienen die elektrisch leitenden Bauelemente 9 zur elektrischen Verbindung der Außenmäntel der Speicherzellen 8, die einen elektrischen Pol der Speicherzellen bilden. Die zweiten elektrischen Pole der Speicherzellen 8, welche sich an den oberen Enden derselben befinden, sind über eine elektrische Leitung 10 miteinander verbunden. Diese ist elektrisch isoliert (hier nicht dargestellt) und nach außen geführt.
Wie bereits oben erwähnt, wird als zweites Trübungsmittel 4 pulverförmiges Fe3O4 in den Hohlraum eingefüllt. Magnetit weist eine nadeiförmige Kristallstruktur auf. Diese nadeiförmigen Kristalle werden beim Einfüllen in den Hohlraum 2 unter Anlegen eines äußeren Magnetfeldes so orientiert, daß die Längsachsen ihrer Nadeln senkrecht zu den Temperaturgradienten ausgerichtet sind.
Fig.2 zeigt einen Horizontalschnitt durch die in F i g. 1 dargestellte Speicherbatterie. Anhand dieser Zeichnung ist deutlich die Orientierung der nadeiförmigen Eisenoxidkristalle senkrecht zum Verlauf des Temperaturgradienten zu sehen. In diesem Beispiel sind die beiden Trübungsmittel 3 und 4 in einem Mischungsverhältnis 1 :1 und einer Dichte ρ < 0,48 g/cm3 im Hohlraum 2 eingefüllt.
F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der thermischen Isolierung 1. Insbesondere ist die thermische Isolierung 1 hierbei um ein Rohrleitungssystem 20 angeordnet, innerhalb dessen heiße strömende Medien, wie z. B. Gase transportiert werden. F i g. 3 zeigt nur einen begrenzten Abschnitt dieses Rohrleitungssystems 20. Die thermische Isolierung 1 wird auch hierbei wiederum durch einen gasdicht nach außen verschlossenen Hohlraum 2 gebildet Die Begrenzungswände dieses Hohlraumes werden durch zwei Rohre 20 und 21 gebildet, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Insbesondere ist das mit dem kleineren Durchmesser versehene Rohr 20 konzentrisch innerhalb des Rohres 21 angeordnet Dadurch wird ein gleichmäßiger Zwischenraum zwischen beiden Rohren 20 und 21 geschaffen, der als Hohlraum 2 für die thermische Isolierung 1 dient An den Enden dieser beiden Rohre 20 und 21 ist der Hohlraum durch metallische Ringscheiben gasdicht verschlossen. Das Innere des Hohlraumes 2 ist wiederum mit zwei miteinander vermischten Trübungsmitteln 3 und 4 ausgefüllt Als erstes Trübungsmittel 3 wird Eisenoxid, insbesondere Fe3O4 benutzt Die nadeiförmigen Kristalle des Magnetits werden auch hierbei erfindungsgemäß so ausgerichtet und fixiert, daß sie senkrecht zur Richtung des Temperaturgradienten dauerhaft angeordnet sind. Der gasdicht verschlossene, mit den beiden Trübungsmittel!! ausgefüllte Hohlraum 2 ist so weit evakuiert, daß er noch einen Restgasdruck von 1 bis 10 mbar aufweist
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:
1. Thermische Isolierung (1) mit einem gasdicht verschlossenen bis auf einen Restgasdruck von weniger als 133 «nbar evakuierten Hohlraum (2), der ein pulverförmiges Isoliermaterial (3, 4) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (2) höchstens einen Restgasdruck von 1 bis lOmbar aufweist und mit zwei pulverförmigen, miteinander vermischten, infrarotoptischen Trübungsmitteln (3,4) vollständig ausgefüllt ist
2. Thermische Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste infrarotoptische Trübungsmittel (3) höchstens eine Primärteilchengröße von 0,01 bis 0,03 μπι besitzt und einen großen Brechungsindex im Infraroten aufweist
3. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite infrarotoptische Trübungsmittel (4) mindestens einen Primärteilchendurchmesser von 0,2 μπι besitzt und ebenfalls einen großen Brechungsindex im Infraroten aufweist
4. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Trübungsmitteln zur Erhöhung der Druckfestigkeit ein Zusatz an hochdispersen Kieselsäuren (7A) beigemischt ist.
5. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden infrarotoptischen Trübungsmitteln ein Zusatz von 50 bis 80 Gew.-% an hochdispersen Kieselsäuren (7A) beigemischt ist.
6. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden infrarotoptischen Trübungsmitteln (3, 4) zur Erhöhung der Biegefestigkeit Glas- oder Keramikfasern (7B)beigemischt sind.
7. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden infrarotoptischen Trübungsmitteln (3, 4) 5 bis 10Gew.-% Glas- oder Keramikfasern (7B) beigemischt sind.
8. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Trübungsmittel (4) eine nadeiförmige Kristallstruktür aufweist
9. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der nadeiförmigen Kristalle des zweiten Trübungsmittels (4) senkrecht zum Verlauf der Temperaturgradienten angeordnet sind.
10. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Trübungsmittel (4) ferromagnetisch ist.
11. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Trübungsmittel (3) Titanoxid ist.
12. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Trübungsmittel (4) Magnetit (Fe3O4) ist.
13. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Trübungsmittel (3,4) im Mischungsverhältnis zwischen 1 :2 bis 10:1 Gewichtsanteilen Titanoxid (TiO2) zu Magnetit (Fe3O4) in den Hohlraum (2) eingefüllt sind.
14. Thermische Isolierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Trübungsmitteln (3, 4) beigemischten Glas- oder Keramikfasern (7B) einen Durchmesser von 15 um aufweisen und eine Länge von 5 bis 10 mm besitzen.
15. Thermische Isolierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Trübungsmitteln (3, 4) Silizium-Aerogele als hochdisperse Kieselsäuren (7A) beigemischt sind.
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