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"Abstandhalter für eine Vakuum-Isoliereinrichtung"
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Die Erfindung richtet sich auf einen Abstandhalter für Isoliereinrichtungen,
der dazu dient, den Abstand zwischen den beiden Wänden eines Vakuum-Isolierers aufrechtzuerhalten.
Es ist bekannt, daß die Vakuum-Isolierung ein ausge#zeichnetes Mittel zur Aufrechterhaltung
hoher oder niedriger Tempraturen ist. Da auf eine Vakuum-Isoliereinrichtung ein:
hoher Druck wirkt, wenn der Innendruck durch Evakuierung des Inneren reduziert wird,
muß die Wandstärke hinreichend hoch sein.
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Um eine hohe Wandstärke zu erreichen, muß der Werkstoff für die Wände
eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Gleichzeitig müssen ausreichend dicke
Wände verwendet werden. Aufgrund die-
ser Tatsache wird die Möglichkeit
zur Herstellung großflächiger Vakuum-Isoliereinrichtungen eingeschränkt.
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Um diese Nachteile auszuschalten, sieht eine in der japanischen Patentanmeldung
1979-63 453 offenbarte Vakuum-Isoliereinrichtung, die einem auf die Wände wirkenden
hohen Außendruck unterliegt, vor, daß ein bienenwabenförmig gestalteter Abstandhalter
aus Isolierwerkstoff zwischen die beiden Wände eingefügt wird.
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Bei der Verwendung eines solchen bienenwabenförmigen Abstandhalters
kann ein doppelwandiges Inneresnicht durch den atmosphären Druck zusammenfallen,
wenn der Innenraum evakuiert wird, und dadurch wird eine Deformation der Wände verhindert.
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Allerdings besteht der Mangel darin, daß die Wirkung der Vakuum-Isolierung
deshalb beträchtlich vermindert wird, weil bei einem aus plattenförmigen Elementen
zusammengesetzten bienenwabenförmigen Abstandhalter die Wärmeleitung durch Übertragung
erfolgt.
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Außerdem besteht eine weitere Schwierigkeit darin, den Druck beim
Absaugen der Luft durch einen Luftauslaß zu reduzieren, da Jedes plattenförmige
Element der Luftzirkulation angepaßt sein muß, was nicht leicht zu bewerkstelligen
ist. Aus diesen Gründen besteht seit langem ein Bedürfnis nach einem Abstand-
halter,
der als Vakuum-Isolierelement von geringer Wärmeleitfähigkeit wirkt und das nur
einen geringen Aufwandes bedarf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abstandhalter für ein Vakuum-Isoliergerät
zu schaffen, dessen Wärmeleitfähigkeit minimal ist und der eine hohe Isolierwirkung
gewährleistet.
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Dieser Abstandhalter für eine Vakuum-Isoliereinrichtung soll leicht
und unter geringen Kosten herstellbar sein. Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße
Abstandhalter für ein Vakuum-Isoliergerät eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen
und beim Evakuieren der Luft dem hohen Atmosphärendruck widerstehen.
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Bei verschiedenen Möglichkeiten von Ausführungsformen weist die Erfindung
eine Versteifung auf, die aus einer Anzahl von Querstegen aus Isolierwerkstoff besteht,
die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und parallel angeordnet sind. Die aus
Isolierwerkstoff gebildeten Querstreben von rechteckigem Querschnitt bilden ein
Gitter. Es können zwei Arten von Stützelementen vorgesehen sein, von denen eine
Art aus parallel angeordneten Querstreben mit den anderen Streben ein Gitter bildet,
wobei diese Querstreben abwechselnd in drei oder mehr Ebenen so angeordnet sind,
daß die oberen und unteren Berührungspunkte eines sandwichartigen Trägers nicht
einander überlappen.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung,
sowie an Hand der Zeichnung. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung
einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abstandhalters; Fig. 2 einen
Schnitt nach Linie 1-1 in Fig. 1, in dem der Wärmefluß durch Pfeile eingetragen
ist; Fig. 3 eine weitere Ausführungsform in perspektivischer Darstellung mit einem
Aufbau in drei Ebenen und Fig. 4 eine andere Ausführungsform in perspektivischer
Darstellung in einem Aufbau in vier Ebenen.
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Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abstandhalters sind die aus Isolierwerkstoff bestehenden Querstreben cl, c2, c3
von rechteckigem Querschnitt und verlaufen parallel nebeneinander unter Bildung
eines Trägers in einer ersten Ebene. Ein in der zweiten Ebene liegender Träger ist
aus den Querstreben b1, b2, b3 gebildet, die im rechten Winkel zu den Querstreben
der ersten Ebene verlaufen. Dieser Träger ist auf den Träger der ersten Ebene aufge-
setzt.
Auf den Träger dieser zweiten Ebene ist ein die dritte Ebene bildender Träger aufgesetzt,
der aus Querstreben al, a2, a3 besteht, die im rechten Winkel zu den Querstreben
der zweiten Ebene verlaufen.
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Die Fig. 1 läßt erkennen, daß die Berührungspunkte eines Trägers in
der zweiten Ebene und eines Trägers in der dritten Ebene (der auf demjenigen der
zweiten Ebene angeordnet ist) abwechselnd zu den Berührungspunkten der Träger der
zweiten Ebene und der unter der zweiten Ebene angeordneten ersten Ebene liegen,
so daß die oberen und unteren Berührungspunkte eines Trägers der zweiten Ebene diejenigen
der beiden anderen Ebenen nicht überlappen. Der Berührungspunkt 2 zwischen der Querstrebe
a2 des in der dritten Ebene angeordneten Trägers und der Querstrebe b2 des Trägers
der zweiten Ebene ist um den halben Abstand zwischen den Berührungspunkten 6 und
7 plaziert, wobei die Querstrebe b2 des Trägers der zweiten Ebene und die Querstreben
cl und c2 des Trägers in der ersten Ebene liegen und zwar gleichermaßen an der gegenüberliegenden
Seite der Querstrebe b2. Aus dieser Figur geht ausserdem hervor, daß die anderen
Querstreben b1 und b2 in der gleichen Weise verlaufen, was der in Fig. 2 wiedergegebene
Schnitt I-I aus Fig. 1 erkennen läßt. Obgleich dies nicht dargestellt ist, bestehen
Wärmeübergangsflächen unter Berührung der Oberseiten der Querstreben al, a2 und
a3 des
Trägers in der dritten Ebene und den Unterseiten der Querstreben
cl, c2, c3 des Trägers in der ersten Ebene. Wenn die Luft in dem Zwischenraum zwischen
zwei Wärmeübertragungsflächen entfernt wird, so daß sich ein Vakuum ausbildet, wird
die Wärme hauptsächlich durch Konduktion über einen Träger übertragen, sowie durch
Strahlung in dem evakuierten Raum und durch Konvektion, d. h. durch freie Bewegung
der in dem evakuierten Raum verbliebenen Gasmoleküle. Dadurch ergibt sich ein nach
unten gerichteter Wärmeübergang dann, wenn die obere Wärmeübergangsfläche eine höhere
Temperatur als die untere Wärmeübergangsfläche besitzt.
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Der Wärmeübergang durch die Träger hindurch führt durch das gesamte
Trägersystem, falls eine dritte Ebene vorhanden ist.
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Allerdings erfolgt der Wärmetransport durch verminderte Flächen an
dem Kontaktpunkt mit einem Träger in der zweiten Ebene, ùnd die durch die Kontaktpunkte
übertragene Wärme gelangt dann seitlich durch einen Träger in der zweiten Ebene
und dann in die Wärmeübertragungsfläche an der Unterseite des Trägers in die erste
Ebene vermittels der Berührungspunkte mit dem in der ersten Ebene befindlichen Träger.
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Dies geht aus Fig. 2 hervor, wo die von der Querstrebe a2 in der dritten
Trägerebene durch den Kontaktpunkt 2 auf die Querstrebe b2 in der zweiten Trägerebene
übertragen und nach der
rechten und linken Seite aufgeteilt und
dann über die Berührungs»unk:te 6 und 7 auf die Querstreben cl und c2 des Trägers
in der ersten Ebene übertragen wird.
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Bei einem üblichen, in einer Ebene verlaufenden bienenwabenförmigen
Abstandhalter sind die Wärmeübergangsflächen der oberen und unteren Seite zugleich
die Flächen, in denen das Gitter mit beiden Seiten der Wärmeübergangsflächen Berührung
hat, und der Abstand des Wärmeübergangs entspricht der Länge der beide Flächen verbindenen
Geraden.
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Bei einem Isolierabstandhalter, wie er in der Fig. 1 wiedergegeben
ist, bei welchem sich die Berührungspunkte des Trägers nicht überlappen, wird der
Wärmeübergang beträchtlich reduziert infolge der Verminderung der Wärmeübertragungsflächen
an den Berührungspunkten der Träger in jeder Ebene und des vergrößerten Abstands
des Wärmeübergangs auf den Träger in der zweiten Ebene.
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Das zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Träger Verwendung findende
Material hat ein geringes Wärmeleitvermögen und besteht beispielsweise aus wärmehärtbaren
Kunstharzen, wie Epoxyharz, Bakelit, Harnstoff-Kunstharz und dergleichen, oder aus
thermoplastischen Kunststoffen wie Polypropylen, Polyäthylen hoher Dichte, Polyester,
ABS-Kunststoff und dergleichen,
oder aus imprägnierten Papier oder
kunstharzverstärkten Holzstoff.
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Selbstverständlich ist bei der Auswahl des Materials die Temperatur
der verwendeten Vakuum-Isoliereinrichtung zu messen, und die Wärmefestigkeit des
Werkstoffs ist zu berücksichtigen.. Findet die Vakuum-Isoliereinrichtung unter Hochtemperaturbedingungen
Anwendung, empfehlen sich keramische Werkstoffe.
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Es ist zweckmäßig, die Berührungspunkte jeder Ebene mittels eines
Klebers zusammen~zu>ügen oder fest ineinander zu stecken, was sie dauerhaft und
stabil macht. Eine andere Möglichkeit der Herstellung besteht in einer integralen
Formgebung in einer Form.
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Die Festigkeit des für die beiden Wände verwendeten Werk stoffs bestimmt
den Abstand oder die geringen Zwischenräume zwischen benachbarten Querstreben eines
Trägers in jeder Ebene. Sind die Abstände zwischen benachbarten Querstreben gering,
wird das Maß des Wärmeübergangs durch den Abstandhalter beträchtlich erhöht. Je
geringer die Stärke der den Träger bildenden Querstreben ist, umso geringer ist
das Maß des Wärmeübergangs. Die für einen Abstandhalter erfprderliche mechanische
Festigkeit bildet einen Faktor zur Bestimmung
der Dicke der Querstreben.
Besteht der Abstandhalter beispielsweise aus synthetischem Kunststoff, ist es angemessen,
die ungefähre Dicke eines Trägers mit 1 - 2 mm und 10 - 50 mm Abstand zwischen aneinandergrenzenden
Trägern zu bemessen.
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Entsprechend der Fig. 1 gibt auch die Fig. 3 ein Beispiel eines aus
drei Ebenen bestehenden Isolierabstandhalters gemäß der Erfindung wieder. Beide
Träger A und C in der dritten und ersten Ebene bestehen aus Querstreben aus Isolierwerkstoff
von rechteckigem Querschnitt, und in der Form eines Gitters. Die gitterförmigen
Träger in der dritten und vierten Ebene stützen die Wände der Isoliereinrichtung,
insbesondere wenn diese flach ist und verstärken die Wände gegen einen von außen
wirkenden Druck. Der Träger B in der zweiten Ebene besteht aus parallelen Querstreben
31, B2 und B3 von rechteckigem Querschnitt und aus Isolierwerkstoff.
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Abstandhalters aus
vier Ebenen. Bei dieser Ausführungsform sind die Träger D und A in der ersten und
vierten Ebene, die den Wänden der Isoliereinrichtung anliegen, aus Je einem Gitterwerk.
Die Träger C und B in der zweiten und dritten Ebene bestehen gleichfalls aus geraden
Querstreben in paralleler Anordnung und unter Vermeidung einer Uberlappung
der
Kontaktpunkt jeder Ebene. Zur Ausbildung dieses vier Ebenen ausweisenden Abstandhalters
können beispielsweise die erste und zweite Ebene unter Verwendung thermoplastischer
Kunststoffe integral gestaltet sein. Dieser einheitlich gegossene oder gespritzte
Träger kann umgekehrt für die dritte und vierte Ebene Verwendung finden. Diese können
einfach aufeinander angeordnet oder vorzugsweise miteinander verklebt sein und so
einen aus vier Ebenen bestehenden Isolierabstandhalter ergeben.
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Der Abstandhalter gemäß der Erfindung wird zwischen die beiden Wände
eines Vakuum-Isoliergerätes eingefügt, um die beiden Wände abzustützen und zu verstärken.
Da keiner der Räume des Trägers verschlossen ist, kann das Entlüften leicht durchgeführt
werden und Perlit oder ein Aerogelpulver, die üblicherweise bei der Vakuum-Isolierung
verwendet werden, ohne weiteres eingefüllt werden. Der durchschnittliche freie Durchgang,
der für die Gasmoleküle in dem Zwischenraum verbleibt, wird kürzer durch das Einfüllen
von Perlit in das Vakuum. Dadurch wird die direkte Wärmeübertragung mit Hilfe der
Gasmoleküle vermindert, was den Wirkungsgrad der Vakuum-Isolierung steigert. Wärmereflektierende
Aluminiumfolien können zwischen die Ebenen eines aus drei oder mehr Ebenen bestehenden
Abstandhalters eingefügt werden, um dadurch den Wärmeübergang durch Strahlung
zu
vermindern.
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Der erfindungsgemäße Isolierabstandhalter ist nicht allein für flache
Isolierstrukturen verwendbar, sondern gleichermaßen für zylindrische oder sphärische
Gestaltungen. Selbstverständlich kann der Träger auch eine gekrümmte Fläche aufweisen.
Es ist nicht erforderlich, daß der Träger auf der gesamten Fläche der Isolierebene
angeordnet ist. Stattdessen kann er auch teilweise angewendet werden, um den Teil
einer Isolierstruktur auszubilden und zwar dort, wo eine zusätzliche Verstärkung
erforderlich ist. Ein Beispiel hierfür ist ein Abstandhalter am Boden einer Vakuum-Flasche,
um das Gewicht eines Innenbehälters zu tragen. Dadurch ergibt sich eine wirksame
Verstärkung ohne Verminderung des Wirkungsgrads der Isolierung.
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Die Untersuchungsergebnisse des erfindungsgemäßen Isolierabstandhalters
sind folgende: Der Test wurde unter Verwendung eines Vakuum-Isolierbehälters durchgeführt,
dessen Innentank (300 mm x 300 mm x 400 mm) und dessen Außentank (340 mm x 340 mm
x 440 mm) je mit 1 mm dickem rostfreiem Stahl ausgeführt waren. Ein 20 mm starker
Abstandhalter, der für den Test Verwendung fand, wurde in den gesamten Zwischenraum
zwischen Innen- und Aus-
sentank eingeführt und der Zwischenraum
auf 6 x 10-7 torr evakuiert, um eine Vakuum-Isolierung des Innenbehälters zu erreichen.
Die Vorrichtung war vorgesehen, um die Temperatur von Wasser im Innentank zu erhalten,
und am Kopf des Behälters war eine Öffnung von 63,5 mm Durchmesser vorgesehen.
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Für diesen Versuch fand ein Isolierabstandhalter aus Phenolharz Verwendung,
mit Trägern in vier Ebenen, und der Werkstoff hatte einen Querschnitt von 2 mm x
5 mm, wie dies Fig. 4 erkennen läßt. Die Zwischenräume des Gitterwerks der Träger
in der ersten und vierten Ebene des Isolierabstandhalters, wie er zu diesem Text
Verwendung fand, betragen 30 mm, während die Zwischenräume der parallelen Querstreben
in der zweiten und dritten Ebene gleichfalls 30 mm betrugen. Zwischen die Träger
der dritten und vierten Ebene war eine Aluminiumfolie eingefügt.
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18 Liter kochendes Wasser, die den Innenbehälter zur Hälfte füllten,
wurden in diesen Behälter eingefüllt und die Temperaturänderung des Wassers mit
einer in den Innenbehälter installierten Wärmeübertragung gemessen. Es zeigte sich,
daß ein Temperaturabfall von 800 Celsius auf 600 Celsius sechs Stunden dauerte.
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Wurde der gleiche Behälter mit einem 20 mm dicken bienenwabenförmigen
Isolierabstandhalter ausgestattet (hergestellt aus Phenolkunstharz mit 2 mm dicken
Platten und Zwischenräumen der Platten von etwa 30 mm) dauerte es 4,5 Stunden, um
Wasser von 800 Celsius auf 600 Celsius abzukühlen. Daraus ergibt sich, daß der Isolierabstandhalter
gemäß der Erfindung einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
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Wird der gleiche Behälter mit einem Isolierwerkstoff von 20 mm dicken,
starren Urethanschaum versehen, dauerte der Temperaturabfall des Wassers von 800
Calsius auf 600 Celsius zwei Stunden. Daraus ergab sich, daß der erfindungsgemäße
Vakuum-Isolierabstandhalter hinsichtlich seiner Isolierwirkung erheblich überlegen
ist.
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