DE4432896A1 - Evakuierter, wärmedämmender Formkörper - Google Patents
Evakuierter, wärmedämmender FormkörperInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen evakuierten und in einer Hül
le gasdicht eingeschlossenen, wärmedämmenden Formkörper auf
der Basis von verpreßtem und gegebenenfalls gehärtetem, mi
kroporösem Isoliermaterial.
Es ist bekannt, daß sich Formkörper dieser Art durch beson
ders günstige wärmedämmende Eigenschaften auszeichnen, weil
durch das Evakuieren die Wärmeleitung durch Konvektion her
abgesetzt ist. In der deutschen Offenlegungsschrift DE-
34 18 637 A1 sind mit Verbundfolien umhüllte Wärmedämmplatten
und deren Herstellung beschrieben. Die Wärmedämmplatten kön
nen in einem Temperaturbereich von -50 bis 200 °C verwendet
werden. Gemäß der Beschreibung wird ein vorgefertigter Form
körper mit einer Umhüllung versehen und evakuiert, bis der
Partialdruck von Luft 20 mbar nicht mehr übersteigt. Ab
schließend wird die Umhüllung luftdicht versiegelt. Es hat
sich nun gezeigt, daß das Evakuieren der Formkörper sehr
zeitaufwendig ist. Ein plattenförmiger Formkörper mit den
Abmessungen 500*500*50 mm³ muß ungefähr zwei Wochen lang
evakuiert werden, bis sich der geforderte Luft-Partialdruck
dauerhaft einstellt. Die lange Behandlungszeit verursacht
zusätzliche Kosten und verteuert die hergestellten Formkör
per.
Die Aufgabe, die zur vorliegenden Erfindung führte, bestand
darin, evakuierte wärmedämmende Formkörper bereitzustellen,
die in einem Temperaturbereich bis 800 °C eingesetzt werden
können und weniger aufwendig herzustellen sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines eva
kuierten und in einer Hülle gasdicht eingeschlossenen, wär
medämmenden Formkörpers auf der Basis von verpreßtem und ge
gebenenfalls gehärtetem, mikroporösem Isoliermaterial, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche des Formkör
pers zumindest teilweise mit Kanalporen und Kanälen versehen
ist.
Die Herstellung der Formkörper umfaßt vorzugsweise folgende
Verfahrensschritte:
- I. Vorverdichten einer Mischung von wärmedämmendem Isolier material auf Basis von feinverteiltem Metalloxid bei Drücken von 1 bis 5 bar, insbesondere 2 bar oder ungefähr 2 bar und Verpressen des vorverdichteten Materials in einer Form bei Enddrücken von 8 bis 20 bar zu einem Formkörper.
- II. Gegebenenfalls Härten des verpreßten Formkörpers durch eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen von 500 bis 900°C.
- III. Kanalporen und Kanäle erzeugende Formgebung, entweder:
- a) während Vorgang I oder
- b) nach Vorgang I oder
- c) nach Vorgang II.
- IV. Einbringen des Formkörpers in eine Hülle und Evakuieren des Formkörpers.
- V. Gasdichtes Verschließen der Hülle unter Vakuum.
Die gemäß Vorgang I verpreßte Mischung von wärmedämmendem
Isoliermaterial hat die folgende Zusammensetzung:
30-100 Gew.-% feinteiliges Metalloxid
0-50 Gew.-% Trübungsmittel
0-50 Gew.-% Fasermaterial
0-15 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
30-100 Gew.-% feinteiliges Metalloxid
0-50 Gew.-% Trübungsmittel
0-50 Gew.-% Fasermaterial
0-15 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
Bevorzugte Mischungen enthalten:
30-89 Gew.-% feinteiliges Metalloxid
10-50 Gew.-% Trübungsmittel
1-50 Gew.-% Fasermaterial
0-5 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
30-89 Gew.-% feinteiliges Metalloxid
10-50 Gew.-% Trübungsmittel
1-50 Gew.-% Fasermaterial
0-5 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
Besonders bevorzugte Mischungen enthalten:
50-89 Gew.-% feinteiliges Metalloxid
20-50 Gew. -% Trübungsmittel
1-10 Gew. -% Fasermaterial
0,5-2 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
50-89 Gew.-% feinteiliges Metalloxid
20-50 Gew. -% Trübungsmittel
1-10 Gew. -% Fasermaterial
0,5-2 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
Vorzugsweise verwendete, feinteilige Metalloxide sind pyro
gen erzeugte Kieselsäuren, einschließlich Lichtbogenkiesel
säuren, alkaliarme Fällungskieselsäuren, Siliciumdioxidaero
gele, analog hergestellte Aluminiumoxide sowie deren Mi
schungen. Vorzugsweise werden pyrogen erzeugte Kieselsäure,
Aluminiumoxid oder deren Mischung verwendet. Die feintei
ligen Metalloxide weisen spezifische Oberflächen nach BET
von vorzugsweise 50 bis 700 m²/g, insbesondere 70 bis 400
m²/g, auf.
Beispiele für Trübungsmittel sind Ilmenit, Titandioxid, Si
liciumcarbid, Eisen-II-Eisen-III-Mischoxid, Chromdioxid,
Zirkonoxid, Mangandioxid, Eisenoxid, Siliciumdioxid, Alumi
niumoxid und Zirkonsilikat, sowie deren Mischungen. Vorzugs
weise werden Ilmenit, Rutil und Zirkonsilikat verwendet. Die
Trübungsmittel weisen vorteilhafterweise ein Absorptionsma
ximum im Infrarotbereich zwischen 1,5 und 10 µm auf. Es wer
den bevorzugt Trübungsmittel verwendet, deren Korngrößen im
Bereich von 1 bis 10 µm liegen.
Beispiele für Fasermaterialien sind Glaswolle, Steinwolle,
Basaltwolle, Schlackenwolle und keramische Fasern, Textil
glasfasern, beispielsweise sogenannte E-Glasfasern, Kiesel-
oder Quarzglasfasern, sowie deren Mischungen. Vorzugsweise
werden Textilglasfasern oder Quarzglasfasern mit einem
Durchmesser von 0,1 bis 12 µm und einer Länge von 1 bis 25
mm verwendet.
Als anorganische Bindemittel können alle Bindemittel, deren
Einsatz in mikroporösen Wärmedämmformkörpern bekannt ist,
verwendet werden. Beispiele solcher Bindemittel sind in der
Patentschrift US-A 4,985,163 offenbart. Vorzugsweise werden
Boride des Aluminiums, des Titans, des Zirkons, des Calci
ums, Silicide, wie Calciumsilicid und Calcium-Aluminium-Si
licid, insbesondere Borcarbid eingesetzt. Beispiele für
weitere Bestandteile sind basische Oxide, insbesondere Mag
nesiumoxid, Calciumoxid oder Bariumoxid.
Die gemäß Vorgang I erzeugten Formkörper besitzen vorzugs
weise die Form von Platten mit ebenen Seitenflächen. In Ab
hängigkeit des vorgesehenen Verwendungszweckes können aber
auch andere Formen gewählt werden.
Zum Erzeugen der Kanalporen und Kanäle gemäß Vorgang III
werden Werkzeuge wie beispielsweise Bohrer, Stanzen, Fräsen
oder Prägestempel verwendet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel. In Fig.
1 ist schematisch eine Platte in der Draufsicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht auf die Platte, bei einem
Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.
Beispiele für die Form der Querschnittsfläche der Kanalporen
1 sind Kreise, Dreiecke, Rechtecke und Quadrate. Falls ge
wünscht, kann die Querschnittsfläche mit der Eindringtiefe
der Kanalporen 1 in den Formkörper 3 variieren. Vorzugsweise
haben die Kanalporen 1 einen kreisförmigen Querschnitt und
führen von der Oberfläche senkrecht in den Formkörper 3 hin
ein. Die Anzahl an Kanalporen 1 pro Oberflächeneinheit be
trägt vorzugsweise 0,004 bis 10 Kanalporen pro 1 cm², beson
ders bevorzugt 0,15 bis 0,6 Kanalporen pro 1 cm². Die Quer
schnittsfläche der Kanalporen 1 beträgt vorzugsweise 0,01
mm² - 8 mm², besonders bevorzugt 0,10 - 0,8 mm². Die Ein
dringtiefe der Kanalporen 1 in den Formkörper 3 beträgt vor
zugsweise 5-100%, besonders bevorzugt 40-70% der ur
sprünglichen Dicke des Formkörpers vor der die Kanalporen
erzeugenden Formgebung.
Die Kanäle 2 sind als parallel zur Oberfläche des Formkör
pers 3 laufende Nutstrukturen ausgebildet und haben im
Schnitt senkrecht zu ihrer Längsausdehnung vorzugsweise das
Profil von einem U oder V oder von einem nach oben offenen
Rechteck oder Quadrat. Sie sind vorzugsweise 2 bis 20 mm
breit und höchstens 1 bis 3 mm tief. Ferner können sich Ka
näle 2 teilweise kreuzen und beispielsweise ein regelmäßiges
Raster auf der Oberfläche des Formkörpers bilden. Dieses Ra
ster ist in der Draufsicht vorzugsweise rechteckig oder rau
tenförmig.
Die Oberfläche des Formkörpers ist zumindest teilweise mit
Kanalporen und Kanälen versehen. Bei einem plattenförmigen
Formkörper können beispielsweise eine oder zwei Seitenflä
chen Kanalporen und Kanäle aufweisen oder auf einer Seiten
fläche nur Kanalporen und auf der gegenüberliegenden Seiten
fläche Kanalporen und Kanäle vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Oberflächen
teile des Formkörpers, die weder Kanalporen, noch Kanäle
aufweisen, teilweise oder vollständig mechanisch aufgerauht.
Die entsprechenden Oberflächenteile werden beispielsweise
mit Hilfe eines kratzenden Werkzeuges mit Rillen oder Riefen
versehen, die im Abstand von bis zu 1 mm angeordnet sind und
bis zu 1,5 mm tief in den Formkörper eindringen. Als auf
rauhendes Werkzeug kann beispielsweise auch ein poröser
Preßstempel verwendet werden, der auf die Oberfläche des
Formkörpers gedrückt wird und ein regelmäßiges oder unregel
mäßiges Muster von Makroporen hinterläßt, die bis zu 1,5 mm
tief in den Formkörper eindringen. Die künstlich erzeugte
Rauhigkeit der Oberfläche des Formkörpers trägt dazu bei,
daß der Vorgang IV des Verfahrens in kürzerer Zeit vollzogen
werden kann.
Gemäß Vorgang IV des Verfahrens wird der Formkörper in eine Hül
le eingebracht und evakuiert. Gegebenenfalls kann dies bei
höheren Temperaturen von 100 bis 650 °C geschehen. Die Hülle
sollte den Formkörper paßgenau umhüllen, damit die später
auf die Hülle einwirkenden Druckkräfte vom Formkörper abge
stützt werden. Als Werkstoff für die Hülle sind beispiels
weise Metalle und Metallegierungen geeignet, die bei einer
Umgebungstemperatur bis 800 °C formstabil bleiben. Vorzugs
weise wird eine Hülle aus Stahlblech verwendet. Sobald der
Druck beim Evakuieren auf einen bestimmten Solldruck, vor
zugsweise 1 bis 10-5 mbar gefallen ist, wird die Hülle gas
dicht verschlossen, beispielsweise verschweißt.
Durch das Vorhandensein von Kanalporen und Kanälen ist die
Zeit, die zum Evakuieren des Formkörpers benötigt wird,
deutlich herabgesetzt. Es dauert nicht mehr wie bisher Tage,
sondern nur noch einige Stunden, bis der Solldruck erreicht
ist. Überraschenderweise stehen diesem Vorteil keine Nach
teile gegenüber. So bleibt der Formkörper trotz seiner ge
ringen Dichte von 170 bis 230 g/m³ formstabil und kann die
Druckkräfte, die auf die geschlossene Hülle einwirken, ab
stützen. Außerdem ist die Absorption von Infrarotstrahlung
nicht beeinträchtigt. Bei Atmosphärendruck und Raumtempera
tur beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Formkörpers hinsicht
lich Infrarotstrahlung und Festkörperleitung 0,025 W/mK und
weniger.
Die nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestell
ten evakuierten Formkörper eignen sich besonders als wärme
dämmende Isolierungen in der Kühl- und Heizungstechnik. Be
sonders bevorzugt ist deren Verwendung als wärmedämmende
Isolierungen von Hochtemperaturbatterien und Latentwärme
speichern, insbesondere in Kraftfahrzeugen.
Claims (11)
1. Evakuierter und in einer Hülle gasdicht eingeschlosse
ner, wärmedämmender Formkörper auf der Basis von ver
preßtem und gegebenenfalls gehärtetem, mikroporösem Iso
liermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche
des Formkörpers zumindest teilweise mit Kanalporen und
Kanälen versehen ist.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kanalporen eine Querschnittsfläche von 0,01 bis 8
mm² pro Kanalpore besitzen.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die mit Kanalporen versehene Oberflä
che des Formkörpers 0,004 bis 10 Kanalporen pro cm² auf
weist.
4. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kanäle 2 bis 20 mm breit und höch
stens 1 bis 3 mm tief sind.
5. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die Kanäle teilweise kreuzen.
6. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Oberflächenteile des Formkörpers,
die weder Kanalporen, noch Kanäle aufweisen, teilweise
oder vollständig aufgerauht sind.
7. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Formkörper die auf die Hülle ein
wirkenden äußeren Druckkräfte abstützt.
8. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Dichte des Formkörpers 170 bis 230
g/m³ beträgt.
9. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß das mikroporöse Isoliermaterial fol
gendermaßen zusammengesetzt ist:
30-100 Gew.-% -feinteiliges Metalloxid
0-50 Gew.-% Trübungsmittel
0-50 Gew.-% -Fasermaterial
0-15 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
30-100 Gew.-% -feinteiliges Metalloxid
0-50 Gew.-% Trübungsmittel
0-50 Gew.-% -Fasermaterial
0-15 Gew.-% anorganisches Bindemittel.
10. Verwendung des Formkörpers nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur Wärmeisolierung von Hochtemperaturbatterien.
11. Verwendung des Formkörpers nach einem der Ansprüche 1
bis 9 zur Wärmeisolierung von Latentwärmespeichern.
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