DE4432896A1

DE4432896A1 - Evakuierter, wärmedämmender Formkörper

Info

Publication number: DE4432896A1
Application number: DE4432896A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Chem Dr Kratel; Guenter Dipl Chem Dr Stohr; Thomas Dipl Ing Eyhorn
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1994-09-15
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2014-09-16
Also published as: DE4432896C2

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.

Bevorzugte Mischungen enthalten:
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.

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

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.

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.