DE4344713A1 - Doppelwandige thermische Isolierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine doppelwandige thermische Isolierung nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.

Eine derartige thermische Isolierung ist z. B. aus der EP-209683 B1 bekannt. Sie bildet ein Isoliergehäuse für eine Hochtemperaturbatterie bzw. Hochenergiebatterie. Solche Batterien werden bei erhöhten Temperaturen z. B. bei ca. 300°C betrieben und arbeiten z. B. auf der Basis von Na­ trium-Schwefel oder Natrium-Nickelchlorid.

Damit die Temperatur der Batterie aufrechterhalten werden kann, muß die Batterie über ein Gehäuse verfügen, das die Zellen der Batterie und damit die Batterie gegen die Umge­ bung thermisch isoliert. Als besonders effektiv haben sich Vakuumisolierungen erwiesen, wie sie auch in dem US- Pa­ tent 5 137 169 beschrieben sind. Danach besteht das Batte­ riegehäuse aus einer doppelwandigen Hülle aus dünnem Edel­ stahlblech, wobei jede Hülle vakuumdicht verschweißt ist. Zwischen den beiden Hüllen ist thermisches Isolationsmate­ rial in Form von vorgepreßten Platten eingefügt. Diese Platten können aus keramischen Fasern, Glasfasern oder aus pulverförmigen, handelsüblichen Materialien hergestellt sein.

Durch einen Stutzen, der an der inneren oder äußeren Hülle angebracht ist, kann der Raum zwischen den beiden Hüllen, in denen das thermische Isoliermaterial eingebracht ist, evakuiert werden. Durch das Vakuum wird zwischen den bei­ den Hüllen die thermische Isolation des Batteriegehäuses erheblich verbessert und damit die Wärmeverluste des Be­ triebes der Batterie erheblich gesenkt.

Bei der Fertigung solcher Isoliergehäuse hat sich nunmehr herausgestellt, daß das Evakuieren sehr lange Zeiten benö­ tigt, da das Isolationsmaterial zwischen den beiden Hüllen einen erheblichen Diffusionswiderstand für die Restgase aufweist. Diese langen Evakuierungszeiten, die je nach Größe des Batteriegehäuses bis zu zwei Tagen betragen kön­ nen, verteuern den Herstellungsprozeß des Batteriegehäuses erheblich.

In dem US-Patent 5 137 169 werden zwar Maßnahmen beschrie­ ben, die zu einer Verkürzung der Pumpzeit führen. So wer­ den Isolierplatten mit eingefrästen Kanälen beschrieben, die die Absaugung der Restgase erleichtern. Diese Kanäle wirken allerdings nur lokal während größere Teile der Iso­ lierplatten von der Maßnahme nicht erfaßt werden. An die­ sen Stellen liegt das plattenförmige Isoliermaterial an den beiden Hüllen vollständig an und sorgt dort weiterhin für einen Wärmeübergang von dem Isoliermaterial auf das Hüllenmaterial.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Isolierung der eingangs genannten anzugeben, die verein­ facht, insbesondere in verkürzter Zeit herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.

Dadurch daß das Isoliermaterial zwischen den beiden Hüllen zumindest teilweise bereits in einem oder mehreren dicht verschlossenen Behältern eingebracht ist, die ihrerseits z. B. bereits evakuiert sind, werden die Evakuierungszeiten beachtlich reduziert. Die langen Evakuierungszeiten werden vor allem auch dadurch bewirkt, daß Restgase relativ fest an dem plattenförmigen Isoliermaterial bzw. in den Poren dieses Materials und an den inneren Oberflächen absorbiert sind. Diese gebundenen Gase sind nur relativ schwierig zu entfernen. Disorption als auch Diffusion durch das Mate­ rial werden aber beschleunigt durch Temperaturerhöhung. Eine fertig montierte Batterie darf während der Evakuie­ rung des Batteriegehäuses aber nicht über 300-350°C er­ wärmt werden. Wenn diese Isolierung aber aus vorgefertig­ ten, einzelnen, dichtverschlossenen Behältern aufgebaut wird, so können diese einzelnen Behälter bei wesentlich höheren Temperaturen, zum Beispiel 500-600°C gefertigt und evakuiert werden. Bei diesen höheren Tempe­ raturen sind die Evakuierungszeiten sehr kurz, da die ab­ sorbierten Restgase, beziehungsweise absorbierte Feuch­ tigkeit bei diesen Temperaturen sehr leicht zu entfernen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Figuren zeigen Querschnitte durch eine doppelwandige thermische Isolierung, die einen Ausschnitt aus einem Iso­ liergehäuse für eine Hochtemperaturbatterie darstellt. Die Innenwandung ist mit 2 und die Außenwandung mit 1 bezeich­ net. Der Raum 3 dazwischen ist evakuiert und enthält stüt­ zendes, thermisch isolierendes Material.

Gemäß der Erfindung sind in dem Zwischenraum 3 mehrere hermetrisch verschlossene taschenförmige Behälter 4 ange­ ordnet, die ihrerseits isolierendes Material enthalten.

Diese Behälter 4 sind flächenförmig ausgebildet und ihre Wände 5 sind aus sehr dünnen Metallfolien 5 hergestellte in einer vorzugsweisen Dicke von weniger als 0,3 mm (z. B. 0,1 mm Edelstahlfolie). In diese Behälter 4 ist Isoliermaterial eingeschlossen, das z. B. als Platte vorgeformt ist, in der Form, daß beim Evakuieren die Behälterwände nicht zusam­ menfallen, sondern durch das Isoliermaterial abgestützt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nicht nur einen Behälter 4 zwischen die Hüllen 1, 2 des Batteriege­ häuses einzubringen, da auch eine dünne Metallfolie sehr gut die Wärme leitet und so als Wärmebrücke von der inne­ ren zur äußeren Hülle dienen könnte. Daher ist es vor­ teilhaft die Behälter 4 mit geringer Dicke, zum Beispiel 5 mm dick aufzubauen und zwischen die Wandungen 1, 2 meh­ rere dieser flächenartigen Behälter 4 einzubringen, um eine direkte Wärmeleitung von einer Behälterwand 5 zur nächsten Behälterwand 5 zu vermeiden. Werden beim Ein­ schichten zwischen die Hüllen plattenförmiges Isoliermate­ rial zwischen die Behälter 4 gelegt, wird damit ein direk­ ter Wärmeübergang von einem Behälter 4 zum nächsten Behäl­ ter 4 und damit von der inneren Hülle 2 zur äußeren Hülle 1 vermieden.

Das Batteriegehäuse wird nach dem Einschichten der einzel­ nen Behälter 4 und dem vakuumdichten Verschweißen der Wan­ dungen 1, 2 in herkömmlicher Weise evakuiert. Da sich nur noch wenig Isoliermaterial zwischen den Hüllen befindet, das noch zu evakuieren ist, sind die Evakuierungszeiten bei diesem Aufbau drastisch verkürzt gegenüber einem Aufbau, bei dem das thermische Isoliermaterial als Platte zwischen den Hüllen eingeschoben ist.

Der Aufbau, bei dem sich zwischen der inneren und äußeren Hülle des Batteriegehäuses ein oder mehrere dieser Behäl­ ter befinden-hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Behäl­ terwände aus zusätzlichen Edelstahlfolien genauso wie eine Folienisolierung wirken und damit die Wärmeverluste durch Strahlung reduzieren.

Die beschriebene Anordnung kann auch dazu verwendet wer­ den, daß an gezielten, bestimmten Stellen des Batteriege­ häuses Behälter 4 eingebracht werden, die über eine va­ riable Wärmeleitung verfügen. Isolierungen mit variabler Wärmeleitung sind z. B. in dem US-Patent 3 167 159 be­ schrieben. Die dafür üblicherweise eingesetzten Metallhy­ dride, die temperaturabhängig Wasserstoff abgeben und wie­ der binden, können z. B. direkt in den einzelnen Behälter 4 zusammen mit dem Isoliermaterial eingebracht werden. Dabei werden Metallhydride unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet, die Wasserstoff bei verschiedenen Temperaturen freisetzen, beziehungsweise wieder binden. Bei Verwendung mehrerer Behälter 4 zwischen den Wandungen 1, 2 kann man so den Temperaturgradienten von der inneren Hülle 2 zur äußeren Hülle 1 mit diesen Behältern 4 und den darin ver­ wendeten Hydriden einstellen. Wenn die Temperatur im Inneren des Batteriegehäuses einen bestimmten zulässigen Wert über­ schreitet, so wird in den Behältern 4 mit Hydridzusatz die Wärmeleitung durch die Freisetzung des Wasserstoffs ver­ bessert und an diesen Stellen exakt eine Wärmeabfuhr zur äußeren Wandung 2 gewährleistet. An der äußeren Hülle 1 kann dann durch eine Wasserkühlung die freigesetzte Wärme abgeführt werden und damit die Kühlung der Batterie reali­ siert werden. Durch die Größe der Behälter 4 zwischen den Hüllen kann man nun genau vorgeben auf welcher Fläche eine solche Kühlwirkung realisiert werden soll. Wenn die Tempe­ ratur im Inneren der Batterie soweit abgesunken ist, daß sie sich wieder im zulässigen Bereich befindet, sinkt auch die Temperatur zwischen den Hüllen und damit in den Behäl­ tern 4. Damit wird der Wasserstoff von dem Metallhydrid wieder aufgenommen und gebunden. Die Wärmeleitfähigkeit in den Behältern 4 wird wieder reduziert und die Isolierung geht insgesamt wieder in den Zustand der geringeren Wärme­ leitfähigkeit über.

Diese Form der Isolierung stellt gewissermaßen eine pas­ sive Möglichkeit dar, die Batterie durch eine variable Wärmeleitfähigkeit in dem Batteriegehäuse bei Bedarf zu kühlen.

Isolierung und Kühlung der Batterie in dem Gehäuse können aber auch in Form einer aktiven Kühlung erreicht werden. Dazu ist der Behälter, beziehungsweise die einzelnen Be­ hälter, die sich in dem Bereich zwischen den Wandungen 1, 2 befinden, bei dem eine variable Wärmeleitung installiert werden soll, mit einem Vorratsgefäß 3 verbunden, in dem sich das Metallhydrid befindet. Um das Vorratsgefäß ist eine elektrische Heizung installiert, die z. B. durch ein elektronisches Batteriemanagement 8 zu und abgeschaltet werden kann.

Sobald die Batterie die zulässige Höchsttemperatur über­ schreitet, wird durch ein Signal des elektronischen Batte­ riemanagements 8 die Heizung des Vorratsgefäßes 9 einge­ schaltet und das Hydrid auf eine Temperatur gebracht, bei der Wasserstoff freigesetzt wird. Dieser Wasserstoff flu­ tet nun die Behälter 4 und sorgt so für eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit. In der bereits oben be­ schriebenen Weise wird an diesen Stellen die Wärme besser nach außen abgeführt und damit die Batterie gekühlt. So­ bald die Temperatur der Batterie sich wieder im zulässigen Bereich befindet, wird die Heizung des Vorratsbehälters 9 abgeschaltet. Dadurch sinkt die Temperatur des Hydrides wieder unter die Zersetzungstemperatur des Hydrides und der Wasserstoff wird wieder gebunden. Der Vorratsbehälter 9 für das Hydrid kann sich nun entweder innerhalb des Bat­ teriegehäuses befinden wie gezeigt oder zwischen den Hül­ len 1, 2 oder außerhalb der Batterie. Befindet sich der Vorratsbehälter innerhalb oder außerhalb der Batterie, so muß die Verbindung zu den Behältern durch eine Rohrleitung 7 die die Wandungen 1, 2 durchdringt und dort vakuumdicht eingeschweißt sein muß, hergestellt werden. In diesem Fall, daß sich das Vorratsgefäß 9 zwischen den beiden Wan­ dungen 1, 2 befindet, muß die Leitung isoliert durch eine Wandung hindurchgeführt werden. Dies ist in bekannterweise durch Metallkeramikverbindungen vakuumdicht zu bewerkstel­ ligen. Als besonders vorteilhaft hat sich die Anordnung des Vorratsbehälters 9 innerhalb der Batterie erwiesen, da bei einem Versagen der elektronischen Regelung und ein überschreiten der zulässigen Batterietemperatur das Hydrid die Zersetzungstemperatur überschreitet und so zu einer Wärmeabfuhr aus der Batterie führt. Damit leistet diese Anordnung einen Beitrag zur Sicherheit des Batteriesy­ stems.

Claims (9)

1. Doppelwandige thermische Isolierung bei der der Raum zwischen den Wandungen evakuiert ist und thermisches Iso­ liermaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Isoliermaterial zumindest teilweise in einem oder mehreren dicht verschlossenen Behältern befindet.

2. Doppelwandige thermische Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Behälter vor Einbringen in den Raum zwischen den Wandungen evakuiert ist bzw. sind bzw. unter reduziertem Druck steht bzw. stehen.

3. Doppelwandige thermische Isolierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Behälter vor­ gesehen sind, deren Innenräume miteinander in Verbindung stehen und eine gemeinsame Atmosphäre besitzen.

4. Doppelwandige thermische Isolierung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Behäl­ ter zumindest zeitweise Wasserstoff enthält bzw. enthalten.

5. Doppelwandige thermische Isolierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff aus einem Hy­ drid freigesetzt ist.

6. Doppelwandige thermische Isolierung nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmo­ sphäre bzw. der Atmosphärendruck innerhalb der Behälter zwecks Änderung der Wärmeisolierungs-Eigenschaft der Be­ hälter veränderbar ist.

7. Doppelwandige thermische Isolierung nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter in dem Raum zwischen den Wandungen gegeneinander wärmeiso­ liert angeordnet sind.

8. Doppelwandige thermische Isolierung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Ausbildung als doppelwandiges Isoliergehäuse für eine bei erhöhten Tempe­ raturen, beispielsweise bei etwa 300°C, arbeitenden Hoch­ leistungsbatterie, insbesondere Natrium-Nickelchlorid-Bat­ terie.

9. Doppelwandige thermische Isolierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wandung des doppel­ wandigen Isoliergehäuses zumindest stellenweise mit einem, von einem Kühlmedium durchflossenen Wärmetauscher in ther­ mischem Kontakt steht.