DE3242900C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Isolierung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 4.

Solche thermischen Isolierungen kommen in der Energietechnik zur Anwendung, insbesondere bei Einrichtungen, bei denen Wärmeverluste vermieden werden sollen. Thermische Isolierungen werden unter anderem bei Hochtemperatur- Speicherbatterien auf der Basis von Allkalimetall und Chalkogen verwendet. Die Speicherzellen werden mit thermischen Isolierungen umgeben, um ihre Abkühlung vor allem in den Betriebspausen der Hochtemperatur-Speicherbatterien zu verhindern, damit auch nach den Pausen eine Temperatur von 350°C in den Speicherzellen herrscht, was eine notwendige Voraussetzung für die optimale Funktionsweise der Speicherzellen ist.

Aus der DE-OS 19 37 795 ist eine thermische Isolierung bekannt, die aus einem schlecht wärmeleitenden Material gefertigt und für konzentrisch angeordnete Rohre bestimmt ist, mit einem Abstandhalter, der einen das innenliegende Rohr umschließenden ringförmigen Teil hat, welcher an seiner diesem Rohr zugewandten Seite Vorsprünge aufweist. Ferner verfügt der Abstandhalter über drei am ringförmigen Teil angesetzte, sich in radialer Richtung zum außenliegenden Rohr erstreckende Stützelemente. Der Beschreibung dieser Entgegenhaltung ist zu entnehmen, daß zur thermischen Isolierung die Zwischenräume zwischen den Rohren evakuiert sind. Zur weiteren thermischen Isolierung sind in den Zwischenräumen mehrere Lagen schlecht wärmeleitenden Materials aus aluminiumbeschichteten Polyäthylen- Therephthalat-Folien angeordnet. Glasfasergewebe mit dazwischenliegenden Aluminiumfolien sind als Isoliermaterial in dieser Entgegenhaltung ebenfalls beschrieben.

In der EP-PS 00 17 095 sind eine Anordnung zur Wärmeisolation von Hochdruckbehältern sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Anordnung beschrieben. Die Anordnung umfaßt eine dünne vakuumdichte Hülle mit einer vakuumdicht verschließbaren Öffnung. Der von der Hülle umschlossene Innenraum ist mit einem pulverförmigen Isoliermaterial mit offenen Poren und unregelmäßiger Form der Pulverteilchen gefüllt. Die Hülle wird nach dem Einfüllen des Isoliermaterials evakuiert und vakuumdicht verschlossen. Das in die Hülle eingefüllte Isoliermaterial übernimmt zwangsläufig die zusätzliche Aufgabe eines Abstandhalters, wobei die primäre Aufgabe der Isolation im Vordergrund steht.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine thermische Isolierung zu schaffen, die eine sehr hohe Druckbelastbarkeit und zugleich eine sehr kleine Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in einem der Patentansprüche 1 bis 4 gelöst.

Innerhalb des evakuierten Raumes, der die äußere Begrenzung der thermischen Isolierung bildet, sind mehr als 100 flächige dünne Schichten hintereinander angeordnet. Die Schichten verlaufen zueinander parallel und sind in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten ist kleiner als 1 mm. Zur Ausbildung der Schichten kann das Glimmer-, Glas- oder Keramikfaserpapier um die innere Begrenzung der thermischen Isolierung gewickelt werden. Zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Schichten ist wenigstens eine als Abstandhalter dienende Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht kann aus einer Glasseidegewebelage bestehen. Erfindungsgemäß kann die Zwischenschicht auch durch Glasfaserpapier gebildet werden. Die Verwendung von Keramikfaserpapier als Zwischenschicht ist ebenfalls möglich. Wird die thermische Isolierung hohen Druckbelastungen ausgesetzt, so wird durch die jeweils zwischen zwei Glimmerpapierfolien angeordnete Glasseidegewebelage ein flächenförmiger Kontakt zwischen diesen Schichten verhindert. Ist abzusehen, daß die thermische Isolierung nur kleinen Druckbelastungen ausgesetzt wird, so können die Zwischenschichten auch aus Glimmerpulver gebildet werden. Die einzelnen Körnchen des Glimmerpulvers dienen als stegartige Abstandhalter und können bei nur geringer Druckbelastung der thermischen Isolierung den Kontakt zwischen zwei benachbarten Schichten auf endlich viele Punkte beschränken. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schichten sollte der Raum einen Restgasdruck von weniger als 0,1 mbar aufweisen.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Metallfolien-Isolierungen kommt es bei der Verwendung von Folien aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere bei Folien aus Glimmerpapier, zu keiner nennenswerten Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit, wenn das Isoliermaterial durch einen äußeren Druck belastet wird. Diese Tatsache läßt sich anhand der nachfolgenden Überlegung verdeutlichen. Wird eine aus vielen dünnen Folien, die parallel zueinander angeordnet sind, bestehende thermische Isolierung komprimiert, so entstehen mit zunehmender Druckbelastung aus den anfänglich punktförmigen Wärmebrücken zunehmend flächige Kontakte. Die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schichten angeordneten Abstandhalter können dies nur teilweise unterbinden. Obwohl die Kontakte in der Isolationsebene statistisch verteilt sind, bilden sich von der heißen zu der kalten Seite hin durchgehende Wärmebrücken, da die Wärmeleitung in der Folienebene die Kontaktstellen verknüpft. Dieser Effekt ist bei Metallfolien wegen der großen Wärmeleitfähigkeit λ sehr groß. Dagegen kann bei Verwendung von Folien aus Glimmerpapier der Wärmestrom durch die Folie in Richtung ihrer Schichtdicke und in ihrer Ebene wegen der viel kleineren Wärmeleitfähigkeit λ dieses Materials drastisch gesenkt werden. Bei einer Temperatur von 300°C beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium λ ≃ 200 W/(m·K), während die Wärmeleitfähigkeit von Glimmerpapier λ ≃ 0,2 W/(m·K) beträgt. Der Wärmestrom ist bei Verwendung von Glimmerpapier deshalb bei der gleichen Anzahl von Kontaktstellen näherungsweise tausendmal kleiner als bei Aluminiumfolien. Metallfolien wurden bis jetzt insbesondere deshalb verwendet, da sie eine besonders gute Isolationswirkung aufweisen, die auf dem hohen thermischen Reflektionsvermögen dieser Metallfolien beruht. Die bei der erfindungsgemäßen thermischen Isolierung verwendeten Folien aus Glimmerpapier weisen dagegen ein wesentlich kleineres thermisches Reflektionsvermögen als die herkömmlich verwendeten Metallfolien auf, so daß sie ein größeres thermisches Emissionsvermögen haben. Die Strahlungsleistung durch eine ebene mehrschichtige thermische Isolation wird durch die Gleichung beschrieben:

₀ bedeutet hierbei die Strahlungsleistung zwischen zwei ebenen parallelen Wänden verschiedener Temperatur, wenn zwischen den Wänden keine Folie angeordnet ist.
N bedeutet die Anzahl der Folien,
ε₀ das thermische Emissionsvermögen der Wände und
ε _F das thermische Emissionsvermögen der Folien.
Bei Verwendung von Metallfolien weist e _F einen Wert von 0,05 auf. Mit ε₀ = 0,9 ergibt sich für eine thermische Isolierung mit mehreren ebenen metallischen Schichten

Erfindungsgemäß werden an Stelle von metallischen Schichten Folien aus einem nichtmetallischen Material verwendet. Für die Strahlungsleistung durch eine ebene Isolation, deren Isolationsmaterial aus Glimmerpapier besteht, ergibt sich folgender Wert:

Daraus ergibt sich, daß die gleiche Verringerung der Strahlungsleitung mit nur einer um das 14fache gegenüber Metallfolien erhöhten Anzahl von Glimmerfolien erzielt werden kann. Dies bedeutet durchaus nicht, daß die thermische Isolierung dadurch eine extrem große Dicke erhält. Als Beispiel sei angeführt, daß bei 500 Glimmerfolien, wobei zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Glimmerfolien eine Glasseidegewebelage angeordnet ist, die Gesamtdicke der Isolierung höchstens 35 mm beträgt. Die Isolierung weist eine entsprechende Abmessung auf, wenn die zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Glimmerfolien angeordnete Zwischenschicht durch ein Glas- oder Keramikfaserpapier gebildet wird. Dabei wird davon ausgeganen, daß die verwendeten Glimmerfolien jeweils eine Dicke von 50 µm aufweisen. Glimmerfolien mit dieser geringen Schichtdicke sind im Handel erhältlich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine thermische Isolierung für eine Hochtemperatur-Speicherbatterie,

Fig. 2 eine Rohrleitung mit der thermischen Isolierung.

Fig. 1 zeigt die thermische Isolierung 1, die von einem doppelwandigen Gehäuse 2 begrenzt ist. Dieses weist einen quaderförmigen Querschnitt auf. Es hat einen Innenraum 3, der z. B. für die Aufnahme von Speicherzellen geeignet ist. Die Wände des Gehäuses 2 sind aus Stahl oder Edelstahl gefertigt. Die Außen- und Innenwände 2 A und 2 B des Gehäuses 2 sind in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen den Innen- und Außenwänden 2 A und 2 B richtet sich nach der Dicke der Isolierung 1. Zwischen den Innen- und Außenwänden des Gehäuses 2 befindet sich der evakuierte Raum 6. Die metallischen Außenwände 2 a sind gasdicht miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt. Das gleiche gilt für die metallischen Innenwände 2 B des Gehäuses. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der zwischen den Wänden 2 A und 2 B liegende Raum 6 gasdicht verschließbar ist. Insbesondere kann er dauerhaft evakuiert werden. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Raum 6 einen Restgasdruck von weniger als 0,1 mbar auf. Vor dem gasdichten Verschließen und Evakuieren des Raumes 6 wird in diesen das Isoliermaterial 4 eingebracht. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Isoliermaterial 4 aus einer Vielzahl von flächigen dünnen Schichten. Die Schichten 4 sind hintereinander in parallelen Ebenen senkrecht zum Temperaturgradienten angeordnet.

Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schichten 4 ist ein Abstand von definierter Größe vorgesehen. Damit der Abstand zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Schichten 4 eingehalten wird, ist zwischen diesen jeweils eine Zwischenschicht 5 angeordnet, die als Abstandhalter dient. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Zwischenschichten 5 durch jeweils eine Glasseidegewebelage gebildet. An Stelle einer Glasseidegewebelage kann auch ein Keramikfaserpapier als Zwischenschicht 5 verwendet werden. Ist die thermische Isolierung 1 nicht druckbelastet, so wird durch die Zwischenschichten eine Berührung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Folien aus Glimmerpapier vollständig vermieden. Die Anzahl der innerhalb des Raumes 6 hintereinander angeordneten Schichten 4 richtet sich nach der gewünschten restlichen Strahlungsleistung der thermischen Isolierung 1. Wird die thermische Isolierung für eine Hochtemperatur-Speicherbatterie verwendet, deren Speicherzellen 8 auf einer konstanten Temperatur von 350°C gehalten werden sollen, so sind innerhalb des Raumes 6 mindestens 500 Schichten aus Glimmerpapier anzuordnen. Bei der Herstellung der thermischen Isolierung 1 wird das die Schichten 4 bildende Glimmerpapier vorzugsweise um die Innenwände 2 B des Gehäuses 2 gewickelt. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Lagen einer solchen Wicklung wird eine Zwischenschicht aus Glasseidegewebe eingefügt. Glasfaser- oder Keramikpapier kann ebenfalls für die Boldung der Zwischenschicht verwendet werden. Werden beispielsweise 500 Schichten 4 mit den jeweils erforderlichen Zwischenschichten 5 um die Innenwände 2 B des Gehäuses 2 gewickelt, so weist die thermische Isolierung 1 eine Gesamtdicke von höchstens 35 mm auf. Dabei wird davon ausgegangen, daß jede Schicht 4 höchstens eine Dicke von 50 µm aufweist und die Glasseidegewebelagen bzw. Die Glasfaser- oder Keramikpapiere jeweils 20 µm dick sind. Dickere Glasseidegewebelagen bzw. Glasfaser- oder Keramikpapiere können auch verwendet werden, jedoch wird dadurch die gesamte Isolationsdicke erhöht. Der Raum 6 muß deshalb höchstens eine Breite von 40 mm aufweisen. Sind alle erforderlichen Schichten 4 innerhalb des Raumes 6 angeordnet, so werden die Außenwände 2 A des Gehäuses 2 gasdicht miteinander verbunden.

Anschließend wird der Raum 6 evakuiert. Bei der hier gezeigten thermischen Isolierung 1 sind im Innenraum 3 des Gehäuses 2 die Speicherzellen 8 einer Hochtemperatur- Speicherbatterie auf der Basis von Natrium und Schwefel angeordnet. Die Speicherzellen 8 sind über elektrische Leitungen (hier nicht dargestellt) mit dem Außenbereich verbunden. Für die Durchführung der elektrischen Leitungen (hier nicht dargestellt) sind spezielle Öffnungen (hier nicht dargestellt) innerhalb der thermischen Isolierung 1 vorgesehen. Durch den äußeren atmosphärischen Druck und durch das Gewicht der Speicherzellen 8 wird die thermische Isolierung 1, insbesondere im Bereich der Auflagefläche der Speicherzellen 8, zusammengedrückt. Hierdurch kommt es zu einer Verringerung des Abstandes zwischen den einzelnen Schichten 4 der thermischen Isolierung 1. Durch die Zwischenschichten 5 wird ein flächiger Kontakt von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schichten 4 vermieden. Die Annäherungen der Schichten 4 aneinander können jedoch durch die Zwischenschichten 5 nicht ganz vermieden werden. Dies ist jedoch bei der hier gezeigten thermischen Isolierung nicht von Nachteil, da durch die sehr kleine Festkörperwärmeleitfähigkeit der Folien 4 bewirkt wird, daß die totale Leitfähigkeit der thermischen Isolierung 1 hierdurch nur unwesentlich vergrößert wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der thermischen Isolierung 1. Diese ist hierbei um ein Rohrleitungssystem 20 angeordnet, innerhalb dessen heiße strömende Medien, wie z. B. Gase, transportiert werden. Fig. 2 zeigt nur einen begrenzten Abschnitt dieses Rohrleitungssystems 20. Die thermische Isolierung wird auch hierbei wiederum durch einen gasdicht nach außen verschlossenen Raum 6 gebildet. Die Begrenzung des Raumes 6 erfolgt durch zwei Rohre 21 und 22, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Das mit dem kleineren Durchmesser versehene Rohr 21 ist konzentrisch innerhalb des Rohres 22 angeordnet. Dadurch wird ein gleichmäßiger Zwischenraum zwischen den beiden Rohren 21 und 22 geschaffen, der als Raum 6 für die thermische Isolierung 1 dient. An den Enden dieser beiden Rohre 21 und 22 ist der Raum 6 durch metallische Ringscheiben (hier nicht dargestellt) gasdicht verschlossen. Das Isoliermaterial 4 wird auch hierbei durch Folien aus Glimmerpapier gebildet. Das Glimmerpapier wird zur Ausbildung der Schichten um das Rohr 21 gewickelt. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Schichten 4 aus Glimmerpapier wird eine Zwischenschicht 15 angeordnet. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Zwischenschicht durch Glimmerpulver gebildet. Glimmerpulver kann dann als Zwischenschicht verwendet werden, wenn die thermische Isolierung keinen allzu hohen Druckbelastungen ausgesetzt ist. Wird ein strömendes Medium durch das Innere des Rohres 21 geleitet, so kommt es zu keiner nennenswerten Druckbelastung der thermischen Isolierung. Die Glimmerpapierschichten 4 werden hierdurch nicht zusammengedrückt. Eine Druckbelastung der thermischen Isolierung von außen wird durch das Rohr 22 von den Schichten 4 ferngehalten. Der zwischen den beiden Rohren 21 und 22 gebildete Hohlraum 6 wird auch hier evakuiert. Er sollte einen Restgasdruck von höchstens 0,1 mbar aufweisen.

Glimmerpulver kann auch bei der in Fig. 1 gezeigten thermischen Isolierung zur Ausbildung der Zwischenschicht verwendet werden, wenn keine zu große Druckbelastung der thermischen Isolierung zu erwarten ist.

Bei den beiden in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen bestehen die Schichten 4 aus Glimmerpapier.

Claims (5)

1. Thermische Isolierung (1) mit einem doppelwandigen Gehäuse (2), zwischen dessen beiden Gehäusewandungen (2 A und 2 B) ein evakuierter Raum (6) vorgesehen ist, in dem senkrecht zum Temperaturgradienten und in gegenseitigem Abstand parallel hintereinander Schichten (4) aus dünnem, nichtmetallischem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4) durch Folien aus Glimmer-, Glas oder Keramikfaserpapier gebildet sind und daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Folienschichten (4) mindestens eine als Abstandhalter dienende druckbelastbare Zwischenschicht (15) aus Glimmerpulver angeordnet ist.

2. Thermische Isolierung (1) mit einem doppelwandigen Gehäuse (2), zwischen dessen beiden Gehäusewandungen (2 A und 2 B) ein evakuierter Raum (6) vorgesehen ist, in dem senkrecht zum Temperaturgradienten und in gegenseitigem Abstand parallel hintereinander Schichten (4) aus dünnem, nichtmetallischem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4) durch Folien aus Glimmer-, Glas- oder Keramikfaserpapier gebildet sind und daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Folienschichten (4) mindestens eine als Abstandhalter dienende druckbelastbare Zwischenschicht (5) aus Glasseidegewebelagen angeordnet ist.

3. Thermische Isolierung (1) mit einem doppelwandigen Gehäuse (2), zwischen dessen beiden Gehäusewandungen (2 A und 2 B) ein evakuierter Raum (6) vorgesehen ist, in dem senkrecht zum Temperaturgradienten und in gegenseitigem Abstand parallel hintereinander Schichten (4) aus dünnem, nichtmetallischem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4) aus dünnem, nichtmetallischem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4) durch Folien aus Glimmer-, Glas- oder Keramikfaserpapier gebildet sind und daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Folienschichten (4) mindestens eine als Abstandhalter dienende druckbelastbare Zwischenschicht (5) aus Glasfaserpapier angeordnet ist.

4. Thermische Isolierung (1) mit einem doppelwandigen Gehäuse (2), zwischen dessen beiden Gehäusewandungen (2 A und 2 B) ein evakuierter Raum (6) vorgesehen ist, in dem senkrecht zum Temperaturgradienten und in gegenseitigem Abstand parallel hintereinander Schichten (4) aus dünnem, nichtmetallischem Material angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4) durch Folien aus Glimmer-, Glas- oder Keramikfaserpapier gebildet sind und daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Folienschichten (4) mindestens eine als Abstandhalter dienende druckbelastbare Zwischenschicht (5) aus Keramikfaserpapier angeordnet ist.

5. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4) und die Zwischenschichten (5, 15) um die Außenflächen der inneren Gehäusewand (2 B) angeordnet sind und daß der die Schichten (4) und die Zwischenschichten (5, 15) enthaltende Raum (6) einen Restgasdruck von weniger als 0,1 mbar aufweist.