DE3908206A1 - Isolierung fuer eine hochtemperatur-heizeinrichtung und verwendung derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Heizeinrichtung, wobei die Isolierung mehrere Lagen aufweist, und eine Verwendung dieser Isolierung.

Zur Isolierung von Hochtemperatur-Heizeinrichtungen, insbes. von Hochtemperaturöfen, kommen bspw. Fasermaterialien aus Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid, Zirkonoxid o.dgl. zur Anwendung, die gegebenenfalls mit einem Pulver versetzt sein können. Derartige Isolierungen aus mehreren Fasermateriallagen sind für Betriebstemperaturen von größenordnungsmäßig 1700°C geeignet. Für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten sind jedoch Hochtemperatur-Heizeinrichtungen mit Betriebstemperaturen in der Größenordnung um 1900°C erforderlich. Bei diesen hohen Temperaturen wurde jedoch festgestellt, daß bei den bekannten Isolierungen mindestens die der Strahlungsquelle der Hochtemperatur-Heizeinrichtung zugewandte Isolierstofflage nach relativ kurzer Betriebsdauer ausgewölbt wird, was im Extremfall dazu führt, daß die der Strahlungsquelle zugewandte Isolierstofflage an der Strahlungsquelle zur Anlage kommt und die Strahlungsquelle beschädigt oder den Nutzraum verändert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Isolierung der eingangs genannten Art zu schaffen, die für Betriebstemperaturen in der Größenordnung um 1900°C geeignet ist, wobei mit einfachen Mitteln eine unerwünschte Auswölbung der Isolierung auch nach einer langen Betriebsdauer der Hochtemperatur-Heizeinrichtung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der von der Heizeinrichtung entfernten Seite der Isolierung mindestens eine Außenlage mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einem großen Hohlraumvolumen vorgesehen ist, daß sich an die mindestens eine Außenlage auf der der Heizeinrichtung zugewandten Seite mindestens eine Zwischenlage mit einer im Vergleich zur Außenlage großen Wärmeleitfähigkeit anschließt, und daß an der mindestens einen Zwischenlage auf der dem Heizelement zugewandten Seite der Isolierung mindestens eine Innenlage mit einer im Vergleich zur mindestens einen Zwischenlage geringen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist. Durch diesen Aufbau ergibt sich in der Isolierung ein Temperaturprofil, bei dem die Temperaturdifferenz in der mindestens einen Innenlage relativ groß ist, so daß durch diese mindestens eine Innenlage eine gezielte Wärmeableitung erfolgt, wobei gleichzeitig durch diese Vergrößerung der Temperaturdifferenz an der der Heizeinrichtung zugewandten Seite und an der von der Heizeinrichtung abgewandten Seite der mindestens einen Innenlage eine Auswölbung der Innenlage verhindert wird. Bei Langzeitversuchen mit der erfindungsgemäßen Isolierung wurde festgestellt, daß auch nach einem mehrwöchigen Dauerversuch mit Temperaturen in der Größenordnung um 1900°C eine Auswölbung der Isolierung nicht stattfindet. Durch geeignete Wahl der Materialien für die mindestens eine Innenlage und für die mindestens eine Zwischenlage sowie durch die Verwendung der mechanisch festen Außenlage, ist es außerdem in vorteilhafter Weise möglich, die Isolierung insgesamt vergleichsweise dünnwandig auszubilden. Im Vergleich zu bislang zur Anwendung gelangenden Isolierungen aus dichtem Feuerfestmaterial mit einer Gasheizung für die Hochtemperatur-Heizeinrichtung läßt sich mit der erfindungsgemäßen Isolierung außerdem der Vorteil erreichen, daß der Leistungsanschluß bei einer erfindungsgemäßen Isolierung gegenüber einer Isolierung aus dichtem Feuerfestmaterial größenordnungsmäßig 2,5 bis 4 mal kleiner sein kann.

Bei der erfindungsgemäßen Isolierung kann die mindestens eine Außenlage einen welligen Stützkörper aufweisen. Eine bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Isolierung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Außenlage einen wabenförmigen Stützkörper aufweist. Ein Stützkörper der zuletzt genannten Art mit einer wabenförmigen Struktur weist nämlich im Vergleich zu einer gewellten Struktur des Stützkörpers ein weiter verbessertes Biegeverhalten und eine vergleichsweise hohe mechanische Druckfestigkeit auf. Durch das große Hohlraumvolumen des Stützkörpers ergeben sich bei der Außenlage in einfacher Weise gute Wärmeisolationseigenschaften, weil Luft eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Außerdem kann die Außenlage in einfacher Weise evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gespült werden. Die Evakuierung bzw. Gasspülung eines mit einer solchen Isolierung ausgerüsteten Ofens ist relativ schnell, d.h. zeitsparender durchführbar als bei Voll-Faserisolierung.

Der Stützkörper kann zweckmäßig aus Alumimium bestehen. Ein solcher Stützkörper weist ein relativ geringes Gewicht auf, so daß er gut handhabbar ist.

Die mindestens eine Zwischenlage besteht vorzugsweise aus einem Fasermaterial, aus einem mit einem Pulver versetzten Fasermaterial, aus einem mikroporösen Isolierstoff und/oder aus einem hohlkugelförmige Partikel aufweisenden Isolierstoff. Bei dem Fasermaterial kann es sich - wie bereits eingangs erwähnt wurde - um Aluminiumsilikat-, Aluminiumoxid- oder Zirkonoxid- Fasermaterial oder um ein anderes bekanntes Fasermaterial, auch nichtoxidischer Art, handeln, dessen Dichte größenordnungsmäßig im Bereich zwischen 50 kg/m³ und 600 kg/m³ liegt.

Ähnlich wie die mindestens eine Zwischenlage besteht die mindestens eine Innenlage vorzugsweise aus einem Fasermaterial, aus einem mit einem Pulver versetzten Fasermaterial, aus einem mikroporösen Isolierstoff und/oder aus einem hohlkugelförmige Partikel aufweisenden Isolierstoff. Die Dichte der/jeder Innenlage liegt im selben Bereich wie die Dichte der/jeder Zwischenlage. Der Unterschied zwischen der mindestens einen Innenlage und der mindestens einen Zwischenlage besteht in den verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten. Infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit der Zwischenlage kann erreicht werden, daß an der Innenlage zwischen ihrer der Heizeinrichtung zugewandten Innenseite und ihrer von der Heizeinrichtung entfernten, der Zwischenlage unmittelbar benachbarten Außenseite eine vergleichsweise große Temperaturdifferenz gegeben ist. Durch die dadurch relativ niedrige Temperatur an der Außenseite der mindestens einen Innenlage wird in vorteilhafter Weise eine unerwünschte Auswölbung der Innenlage und damit eine Beschädigung der der Innenlage benachbarten Heizeinrichtung verhindert. Als Heizeinrichtung wird vorzugsweise eine elektrische Heizeinrichtung eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, die Heizeinrichtung als Brenner, als beliebige andere Infrarotstrahlungsquelle oder Mikrowellenheizung auszubilden.

Nachdem die oben beschriebene Isolierung bis Temperaturen in der Größenordnung um 1900°C eine gute Dauerstandsfestigkeit aufweist, wobei unerwünschte Auswölbungen auch nach einer langen Betriebsdauer der Isolierung verhindert werden, kann die Isolierung zufriedenstellend bei Hochtemperaturöfen mit einer Betriebstemperatur um 1900°C verwendet werden. Wie bereits erwähnt wurde, ist die beschriebene Isolierung infolge ihrer ein großen Hohlraumvolumen besitzenden Außenlage innerhalb relativ kurzer Zeit evakuierbar bzw. mit Gas spülbar, so daß diese Isolierung auch bei einem evakuierbaren und/oder mit einer Gasspülung versehenen Hochtemperaturofen mit einer Betriebstemperatur um 1900°C verwendet werden kann.

Zur Verstärkung der Isolierung, d.h. zur weiter verbesserten Verhinderung einer unerwünschten Auswölbung der Isolierung ist es möglich, die Isolierung mit Versteifungselementen zu kombinieren. Diese Versteifungselemente können an der der Heizeinrichtung zugewandten Innenseite der Isolierung an der Isolierung eng anliegen, oder im Inneren der Isolierung in dafür vorgesehenen Aussparungen angeordnet sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Isolierung.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine abschnittweise gezeichnete Isolierung, und

Fig. 2 eine Ansicht eines Abschnittes einer Außenlage der Isolierung gem. Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Isolierung 10 für eine (nicht gezeichnete) Hochtemperatur-Heizeinrichtung, bei der es sich bspw. um ein elektrisches Widerstandselement handelt, das in einem Abstand vor der Innenlage 12 der Isolierung 10 angeordnet ist. Die Isolierung 10 weist neben der Innenlage 12 eine Zwischenlage 14 und auf der von der Innenlage 12 abgewandten Seite der Zwischenlage 14 eine Außenlage 16 auf. Die Außenlage 16 ist als Stützkörper 18 ausgebildet, der an seinen beiden gegenüberliegenden Seiten Abdeckelemente 20 aufweist. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß der Stützkörper 18 nur auf einer Seite mit einem Abdeckelement 20 versehen ist, oder daß der Stützkörper 18 ohne Abdeckelemente 20 ausgebildet ist. In Fig. 1 ist ein Stützkörper 18 mit einer welligen Struktur angedeutet. Fig. 2 zeigt einen Abschnitt des Stützkörpers 18 in einer Ansicht, aus der eine Wabenstruktur des Stützkörpers 18 ersichtlich ist. Eine derartige Außenlage 16 mit einer Wabenstruktur wird auch als Honeycomb-Lage bezeichnet.

Mit der Bezugsziffer 22 ist in Fig. 1 ein Gehäuseabschnitt bspw. eines Hochtemperaturofens, eines Hochtemperatur- Reflektorelementes o.dgl. bezeichnet.

In Fig. 1 ist durch eine strichlierte Linie 24 der Temperaturverlauf angedeutet, wie er sich in einer bekannten, mehrlagigen Isolierung eines Hochtemperatur-Ofens od.dgl. ergibt. Die Temperatur nimmt in der Isolierung von der Innenseite 26 der Hochtemperatur-Heizeinrichtung ausgehend zu deren Außenseite 28 hin ab, und zwar von der Temperatur T 1 an der Innenseite 26 zur Temperatur T 2 an der Außenseite. Aus dem Verlauf der Kurve 24 ist zu erkennen, daß die Temperaturdifferenz dT 1, die sich in der Innenlage 12 ergibt, nur vergleichsweise gering ist. Die Zwischenlage 14 hat eine gegenüber der Innenlage 12 geringere Wärmeleitfähigkeit bzw. besseres Isolationsvermögen, weshalb zwischen Innenseite und Außenseite der Zwischenlage 14 eine vergleichsweise große Temperaturdifferenz besteht. Die Wärmeleitung der Außenlage 16 bzw. deren Isolationsverhalten sind so, daß die weitere Abkühlung auf die Temperatur T 2 erfolgen kann.

Mit der dicken Linie 30 ist schematisch der Temperaturverlauf dargestellt, der sich bei Ausbildung gemäß der Erfindung ergibt. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Innenlage 12 unverändert bleibt. Die Zwischenlage 14 hat jedoch ein deutlich höheres Wärmeleitvermögen als die Innenlage 12 und auch größere Wärmeleitfähigkeit als die Außenlage 16. Hinsichtlich der Außenlage 16 wird im vorliegenden Falle angenommen, daß deren Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen der Wärmeleitfähigkeit der Außenlage 16 bei der konventionellen Isolierung entspricht.

Wie die Kurve 30 in Fig. 1 zeigt, erhält man mit einem Aufbau der Isolierung gemäß der Erfindung gleichsam eine geringere Wärmedämmung, was dazu führt, daß an der Außenseite der Außenlage 16 ein gegenüber der Temperatur T 2 um den Betrag Δ T höhere Temperatur T 2′ herrscht. Diese höhere Temperatur in Verbindung mit der guten Wärmeleitfähigkeit der Zwischenlage 14 führt dazu, daß sich in der Innenlage 12 eine größere Temperaturdifferenz dT 1′ gegenüber einer konventionellen Isolierung einstellt, d.h. die Temperatur der Innenlage 12 auf ihrer an die Zwischenlage 14 anschließenden Seite geringer ist als bisher, wodurch zuverlässig eine Verformung der Innenlage 12 auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen verhindert wird.

Es leuchtet ein, daß durch Wahl der Eigenschaften der Zwischenlage 14 und Außenlage 16 die Temperatur T 2′ an der Außenseite erhöht oder erniedrigt und in gleicher Weise das Temperaturgefälle dT 1′ in der Innenlage 12 verändert werden kann. Auf jeden Fall kann bei einem Vorgehen gemäß der Erfindung eine unerwünschte Auswölbung der Innenlage 12 verhindert werden, auch wenn die Temperatur T 1 an der Innenseite 26 größenordnungsmäßig im Bereich 1900°C liegt.

Claims (8)

1. Isolierung für eine Hochtemperatur-Heizeinrichtung, wobei die Isolierung (10) mehrere Lagen (12, 14, 16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Heizeinrichtung entfernten Seite der Isolierung (10) mindestens eine Außenlage (16) mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einem großen Hohlraumvolumen vorgesehen ist, daß sich an die mindestens eine Außenlage (16) auf der der Heizeinrichtung zugewandten Seite mindestens eine Zwischenlage (14) mit einer im Vergleich zur Außenlage (16) großen Wärmeleitfähigkeit anschließt, und daß sich an die mindestens eine Zwischenlage (14) auf der dem Heizelement zugewandten Seite der Isolierung (10) mindestens eine Innenlage (12) mit einer im Vergleich zur mindestens einen Zwischenlage (14) geringen Wärmeleitfähigkeit anschließt.

2. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Außenlage (16) einen welligen Stützkörper (18) aufweist.

3. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Außenlage (16) einen wabenförnigen Stützkörper (18) aufweist.

4. Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (18) aus Aluminium besteht.

5. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Zwischenlage (14) aus einem Fasermaterial, aus einem mit einem Pulver versetzten Fasermaterial, aus einem mikroporösen Isolierstoff und/oder aus einem hohlkugelförmige Partikel aufweisenden Isolierstoff besteht.

6. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Innenlage (12) aus einem Fasermaterial, aus einem mit einem Pulver versetzten Fasermaterial, aus einem mikroporösen Isolierstoff und/oder aus einem hohlkugelförmige Partikel aufweisenden Isolierstoff besteht.

7. Verwendung einer Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei einem Hochtemperaturofen mit einer Betriebstemperatur um 1900°C.

8. Verwendung einer Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei einem evakuierbaren und/oder mit einer Gasspülung versehenen Hochtemperaturofen mit einer Betriebstemperatur um 1900°C.