DE68928547T2 - Kompakte vakuum-isolation - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Isolationsschichtmaterialien bzw. Isolationsplatten und im speziellen auf Vakuum-Isolationsschichtmaterialien bzw., -platten, die einen hohen Wärmewiderstand haben und dünn und verbiegbar sind, um gebogene Isolationsschichtmaterialien zu bilden, auf die Anwendung solcher Schichtmaterialien bzw. -platten und auf Verfahren zu deren Herstellung.
- Die Isolation oder der Gebrauch von Vakuum-Schichtmaterialien zur Isolation ist nichts Neues. Es gibt jedoch einen stark ansteigenden Bedarf für verbesserte Isolation bezüglich einer Kombination von besserer Isolationseffektivität, geringerem Gewicht, dünneren, dauerhafteren und stärker verbiegbaren oder formbaren Isolationsprodukten. Der Bedarf für solche besseren Isolationsprodukte geht von so verschiedenen Gebieten wie Raumfahrzeugen und -ausrüstung, Kryostaten und Leitungen für extrem niedrige Temperatur in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen und sogar von gewöhnlichen Haushaltsanwendungen aus. Z.B. benötigen Raumfahrzeuge und -ausrüstungen, die in den Weltraum starten, eine Isolation sehr hoher Qualität, um Menschen und Ausrüstung zu schützen; es gibt jedoch wenig Raum für typischerweise umfangreiche isolierende Wände und Schichtmaterialien.
- Bekannte Isolation für kältetechnische Anwendungen ist komplex und teuer und hat immer noch signifikante Nachteile. Z.B. wird eine Isolationsstruktur, bekannt als "Kryopumpenisolation", oft zur Isolation von Tieftemperaturgefäßen und -leitungen eingesetzt. Solche Kyropumpenisolation umfaßt viele laminierte Schichten von undurchlässigem Material, das an den Kanten abgedichtet ist und benachbart zu dem Tieftemperaturmaterial, z.B. flüssigem Stickstoff, positioniert wird. Der flüssige Stickstoff ist so kalt, daß er die Luft in angrenzenden abgedichteten Räumen zwischen den laminierten Schichten verflüssigt, so daß ein Teilvakuum in den Räumen verbleibt.
- Dieses Luftverflüssigungsphänomen tritt durch benachbarte Schichten über eine ausreichende Tiefe in die laminierte Isolationsstruktur auf, so daß der Wärmetransport durch die erzeugten oder "kryogepumpten" benachbarten Vakuumschichten in den Isolationsstrukturen verhindert wird.
- Während eine solche "kryogepumpte" Isolation sehr gut bei niedrigen Temperaturen von kryogenischem Material wie flüssigem Stickstoff, die kalt genug sind, um Luft zu verflüssigen, ganz gut arbeitet, isoliert sie überhaupt nicht in normalen Temperaturbereichen. Außerdem ist solche "kryogepumpte" Isolation relativ dick und unhandlich, benötigt typischerweise mehrere Zoll Dicke um effektiv zu sein und ist teuer und schwierig in gewünschte Formen und Konturen zu formen. Dementsprechend gab es vor dieser Erfindung keine dünnen, nicht unhandlichen, formbaren und doch gleichermaßen effektiven Alternativen.
- Was Haushaltsanwendungen betriffi, verlangen sowohl Verbraucher als auch Regierungen, daß Hersteller von Haushaltsgeräten wie Kühlschränken, Wassererhitzem, Spülmaschinen, Waschmaschinen, Wäschetrockner und ähnlichem, diese Geräte energiesparender machen. Z.B. hat die Kalifornische Energiekommission eine 50%ige Reduktion des Energieverbrauchs von Kühlschränkenlgefrierautomaten festgeschrieben, die in diesem Staat 1992 verkauft werden sollen. Die festgeschriebene Reduktion des Energieverbrauchs ist ohne signifikante Verbesserung der thermischen Wirksamkeit der Seitenwände nicht erreichbar, wenn die derzeitigen Dimensionen erhalten bleiben sollen. Die derzeitige Technologie könnte die Reduktion der Wärmeableitung durch die Seitenwände von Geräten erreichen, indem die isolierenden Wandschichtmaterialien dreimal so dick gemacht werden würden. Jedoch wünschen die Leute keine Kühlschränke mit einem Fuß dicken Wänden. Architektonische Designs von Häusern und Apartments, Türbreiten und ähnliches verhindem praktisch eine Erhöhung der äußeren Dimensionen von Haushaltsgeräten, und verringerter brauchbarer Innenraum wird auf viel Unbefriedigung und Widerstand bei den Verbrauchern stoßen.
- Dünnere Isolationsschichtmaterialien, die die Isolationseffektivität erhöhen, würden diese Probleme lösen, jedoch sind ultradünne, hocheffektive und langlebige Isolationsschichtmaterialien nicht leicht herzustellen. In der Tat hat vor dieser Erfindung jedes dieser Kriterien, d.h., ultradünn, hocheffektiv und langlebig, zumindest eines der anderen ausgeschlossen.
- Es hat einige bemerkbare Versuche vor dieser Erfindung gegeben, die Isolationseffektivität mit etwas dünneren Schichtmaterialien zu verbessern. Z.B. offenbart US PS 2 989 156, erteilt an F. Brooks et al., ein Isolationsschichtmaterial, das einen evakuierten Raum zwischen zwei dünnen Metallplatten umfaßt, wobei der evakuierte Raum mit Perlitpulver gefüllt ist. US-Patent Nr.3 151 365, das an P. Glaser et al. erteilt worden ist, zeigt den Gebrauch einer Mischung von feinen Rußschwarzteilchen und anderen feinen Teilchen, die eine evakuierte geschlossene Struktur füllen, folienartige Zwischenstrahlungsschilde und eine abstrahlungsreduzierende Silberbeschichtung auf. Das US-Patent Nr.3 161 265, das an Matsch et al. erteilt worden ist, offenbart ein dünnes Isolationsschichtmaterial, das eine Vielzahl von glasgefüllten Plastiklaminatstützen und Plastikkompressionselemente innerhalb einer Vakuumkammer umfaßt, um die Schichtmaterialwände zu stützen. Das US-Patent Nr.3 179 549, erteilt an H. Strong et al., setzt eine Matte von sehr feinen ausgerichteten Glasfasern ein, die in einer ausgepumpten, geschweißten Metallumhüllung versiegelt sind. Das Vakuum, das eingesetzt wird, ist nur ungefähr 10&supmin;&sup4; Atmosphären (102 Torr), und es wird eine Fasermatte von ausreichender Dichte und Dicke benötigt, um undurchlässig für thermische infrarote Strahlung zu sein. US-Patent Nr. 4 444 821, erteilt an J. Young et al., offenbart auch ein ausgepumptes Schichtmaterial, das mit einer Glasfasermatte gefüllt ist, mit Dichtungsstreifen für die Kanten aus Piasuk und Gettermaterial, das in der ausgepumpten Kammer vorhanden ist. Für dieses Schichtmaterial ist auch nur ein Vakuum niedrigen Grades von ungefähr 10&supmin;² Torr spezifiert. Das US-Patent Nr.4 486482, erteilt an N. Kobayashi, gebraucht eine Glasfasermatte innerhalb einer Vakuumumhüllung, die aus geschweißten rostfreien Stahlplatten besteht. Durch diese Glasmatte sind Glasfasern gesteckt, die senkrecht zu der Fläche der Matte laufen und die äußere atmosphärische Druckbelastung auf die Schichtmaterialwände abstützen soll, um diese vom Kollabieren abzuhalten.
- Die oben beschriebenen Vakuumschichtmaterialien des Standes der Technik sind ohne Zweifel effektiver als konventionelle Schaum- und Fiberglasisolationsschichtmaterialien. Jedoch ist das Konstruieren eines wirklich effektiven und langanhaltenden Schichtmaterials nicht leicht und wird von diesen Strukturen des Standes der Technik nicht in dem Ausmaß erreicht, daß notwendig ist, um die oben beschriebenen Anforderungen zu erfüllen. Z.B. können die Vakua niedrigen Grades, die in den Patenten des Standes der Technik eingesetzt werden, nicht die Isolationseffektivität erreichen, die ausreichend für den Gebrauch in ultradünnen Schichtmaterialien ist. Kantenabdichtungen aus Plastik können das Vakuum nicht über eine längere Zeitdauer aufrechterhalten und können hoher Temperatur oder Sonnenstrahlung ohne deutliche Beeinträchtigung und Ausgasen überhaupt nicht ausgesetzt werden. Metallumhüllungen mit geschweißten Nähten würden das benötigte Vakuum aufrechterhalten, jedoch ist es praktisch unmöglich, perfekte leckfreie Schweißnähte zu erhalten, die zum Aufrechterhalten von Vakua sehr hohen Grades über mehrere Jahre benötigt werden, wenn solche Schweißnähte in der Anwesenheit von Milliarden von mikroskopisch feinen Glasfasern und Perlitpartikeln gemacht werden müssen, die in den Schichtmaterialien des Standes der Technik eingesetzt werden. Ein einzelnes Teilchen oder eine einzelne Faser, die in den Schweißbereich eintritt, könnte ein mikroskopisches Leck erzeugen, das sehr schwierig nachzuweisen wäre, jedoch nichtsdestotrotz die Lebensdauer des Vakuums innerhalb des abgedichteten Isolationsschichtmateriales ernstlich beeinträchtigen würde, wodurch der Nutzen des Schichtmaterials beeinträchtigt wäre.
- Der Einsatz von Vakuum resultiert in der Notwendigkeit einer ausreichenden Struktur innerhalb des Schichtmaterials, um die gegenüberliegenden Schichtmaterialwände davon abzuhalten, zu kollabieren. Die Glasfasermatten und Perlitpulver, die in den oben beschriebenen Schichtmaterialien des Standes der Technik eingesetzt werden, können diese Funktion erfüllen. Jedoch werden bei Vakua sehr hohen Grades die einwärts gerichteten Drücke auf die Seitenwände sehr groß, so daß solche Fasermatten und Pulver sehr kompakt werden, wodurch mehr direkte Wärmeleitungspfade als gewünscht durch das Isolationsschichtmaterial angeboten werden. Um wirklich für eine große Vielzahl von Anwendungen einsetzbar zu sein, sollte das Isolationsschichtmaterial außerdem um Kurven biegbar sein. Verbiegen der Schichtmaterialien des Standes der Technik würde jedoch sicherlich eine Wandplatte des Schichtmaterials in die andere drücken, wodurch dort, wo die eine Wand oder Platte die andere berührt, ein "Kältekurzschluß" gebildet wird. Sogar wenn die Glasfasermatten des Standes der Technik physikalisch die zwei gegenüberliegenden dünnen Platten voneinander entfernt halten würden, würde die Matte selbst so an dem Knick oder der Verbiegung komprimiert, daß sie praktisch selbst den Kältekurzschluß bildet.
- Das laserabgedichtete Vakuum-Isolationsfenster, das von David K. Benson, einer der Miterfinder dieser Erfindung, und C. Edwin Tracy erfunden wurde, nun das US-Patent Nr.4 683 154, hat das Problem der langanhaltenden Abdichtung und dem strukturellen Abstützen gegen Kollaps oder Kältekurzschluß durch Laserschweißen von Glasabstandshalterkugeln zwischen zwei dünnen Glasplatten gelöst. Da jedoch, die Struktur relativ dick, schwer, zerbrechlich aus Glas gemacht und hart ist, kann es nicht um Kurven gebogen werden. Obwohl es ein hocheffizientes Isolationsschichtmaterialist, ist seine Einsatzfähigkeit deshalb begrenzt.
- Ein ultradünnes kompaktes Vakuumschichtmaterial, das die Merkmale des ersten Teiles des Anspruchs 1 hat, ist aus GB-A-683 855 bekannt.
- Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein hocheffektives, ultradünnes Isolationsschichtmaterial bereitzustellen.
- Weiterhin wird ein hocheffektives, ultradünnes Isolationsschichtmaterial bereitgestellt, das dauerhaft, widerstandsfähig gegen Verschlechterung, z.B. bei hohen Temperaturen, korrodierenden Flüssigkeiten und Sonnenlicht, ist und das langlebig und ohne Schädigung oder signifikante Einbuße von Isolationsfähigkeit verbiegbar ist, und das eine übedegene Herstellbarkeit und auf diese Weise eine festere, zuverlässige Qualität zur vernünftigen Kosten aufweist.
- Die zuvor beschriebenen Ziele werden durch ein ultradünnes, kompaktes Isolationsschichtmaterial gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 hat. Das Schichtmaterial umfaßt zwei benachbarte dünne Metallplatten, die nahe zueinander beabstandet sind, mit einer Vielzahl von Glas- oder Keramikkugeln oder anderen diskreten Formen, die optimal zwischen den dünnen Platten positioniert sind, um mechanische Stützung bereitzustellen, um so den Abstand dazwischen aufrechtzuerhalten, während die thermische Leitfähigkeit minimiert wird, und mit einer Metallschweißnaht entlang der Kanten abgedichtet sind. Die Glaskugeln oder anderen Formen können in einer oder in mehreren Schichten von Glasgewebe gebildet sein und zwischen den dünnen metallischen Platten angeordnet sein. Eine bevorzugte Form solcher Gewebe umfaßt eine Platte aus Glasgewebe mit einer Vielzahl von kugelförmigen Verdikkungen, die in entgegengesetzten Richtungen von dem Gewebe hervorstehen. Eine andere bevorzugte Form umfaßt eine Platte von Glasgewebe mir einer Vielzahl von verlängerten Stegen, die in entgegengesetzten Richtungen von jeder Seite hervorstehen. Eine Vielzahl von solchen Glasplatten kann zwischen zwei äußere Metallplatten laminiert werden, um die linearen Wärmeleitfähigkeitspfade über das Schichtmaterial weiter zu reduzieren. Ein ähnlicher Effekt kann erreicht werden, wenn die zwei äußeren Metallplatten mit einer Textur aus Stegen oder konvexen hervorstehenden Bereichen vorgesehen sind, wobei die zwei äußeren Platten voneinander durch eine flache Platte aus Glasgewebe getrennt sind. Andere spezielle Ausführungsformen der Erfindung umfassen sowohl die Isolationsschichtmaterialien, die in speziellen Strukturen zur Erhöhung der Stärke und Flexibilität aufgebaut sind, als auch nützliche Konfiguration für spezielle Zwecke. Die Struktur einer anderen Ausführungsform umfaßt einen spiralartig gewundenen Glas- oder Keramikabstandshalter, der zur Trennung von zwei konzentrischen, zylindrischen metallischen Platten in der Form einer röhrenförmigen Führung oder Leitung eingesetzt werden kann.
- Darüber hinaus umfaßt das Verfahren dieser Erfindung den Gebrauch von polystyrolbeschichteten Abstandshaltern, die in einer Aufnahmehalterung positioniert sind, Kontaktieren der Abstandshalter mit einer äußeren dünnen Metallplatte, die ausreichend erhitzt ist, um das Polystyrol zu schmelzen und die Abstandshalter an der einen äußeren dünnen Platte anhaften zu lassen und sie aus der Aufnahmevorrichtung herauszuheben, Einklemmen der Abstandshalter zwischen zwei äußere dünne Metallplatten, Erhitzen, um das Polystyrol aufzubrechen und auszugasen, Auspumpen bis auf einen Bereich von 10&supmin;&sup6; Torr (10&supmin;&sup8;-Atmosphären) und Abdichten, indem die Nähte entlang der Kanten der äußeren dünnen Metallplatten verschweißt werden. Eine oder mehrere Oberfiächenbeschichtungen geringer Emissivität können benutzt werden, um die thermische Infrarotstrahlung zu minimieren und ein reaktiver metallischer Getter kann in der Vakuumisolation installiert werden, um das Aufrechterhalten des Vakuums zu unterstützen.
- Die anliegenden Zeichnungen, welche hierin aufgenommen sind und Teil der Unterlagen bilden, illustrieren die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung.
- In den Zeichnungen ist:
- Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Segmentes einer Isolationsplatte, die entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, mit einem Bereich der Kantennaht, und auf der einen Seite abgeschnitten, um die darin positionierten Abschnittshalterkugeln aufzuzeigen;
- Figur 2 ein Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer Isolationsplatte entsprechend der vorliegenden Erfindung;
- Figur 3 ein Querschnitt einer Vielzahl von Abstandshaltern, die in einer Aufnahmeeinrichtung positioniert sind, bevor sie an einer der äußeren metallischen dünnen Platten der Isolationsplatte entsprechend dieser Erfindung befestigt werden;
- Figur 4 ein Querschnitt der Anordnung der Aufnahmeeinrichtung, wobei die eine äußere Metallplatte mit den Abstandshaltern auf der Aufnahmeeinrichtung befestigt ist;
- Figur 5 eine Querschnittsansicht der Aufnahmeeinrichtungen ähnlich der Figuren 3 und 4, jedoch wobei die Abstandshalter an der äußeren dünnen Platte des Isolationsschichtmaterials befestigt sind;
- Figur 6 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Isolationsplatte entsprechend dieser Erfindung mit einer Vielzahl von kleineren Abstandshaltern, die als anfängliche Abstandshalter zur Positionierung der größeren Abstandshalter dienen;
- Figur 7 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Glasabstandshalterkugeln integral mit einem Glasabstandshalter geformt sind, der ein Netz mit einer Vielzahl von Verdickungen aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten hervorstehen;
- Figur 8 eine Teil-Explosionsansicht einer Isolationsschichtmaterialanordnung, die die dünne Glasabstandshalterplatte der Ausführungsform, die in Figur 7 gezeigt ist, einsetzt;
- Figur 9 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in Figur 7 und Figur 8 gezeigten, jedoch unter Einsatz von zwei dünnen Glasabstandshalterplatten;
- Figur 10 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Isolationsplatte, die einen Glasabstandshalter hat, der ein Netz mit einer Vielzahl von Verdickungen aufweist, die von gegenüberliegenden Seiten hervorstehen, wobei die Verdickungen auf der einen Seite des Netzes lateral gegenüber den Verdickungen auf der anderen Seite versetzt sind;
- Figur 11 eine perspektivische Ansicht eines Bereiches von noch einer anderen Ausführungsform des Isolationsschichtmaterials entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einem Bereich der Kantennaht, wobei die vordere Platte und eine der dünnen Glasabstandshalterplatten abgeschnitten sind, um die vollständige Struktur aufzuzeigen, wobei diese Ausführungsform der dünnen Abstandshalterplatte eine Vielzahl von langgestreckten Stegen aufweist und die dünnen Abstandshalterplatten so ausgerichtet sind, daß die Stege von der einen dünnen Abstandshalterplatte kreuzweise zu den Stegen der anderen laufen;
- Figur 12 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der Isolationsplatte, die in Figur 11 gezeigtist;
- Figur 13 eine Teil-Explosionsansicht, die die Anordnung der Ausführungsform der Isolationspiatte der Figuren 10,11 und 12 illustriert;
- Figur 14 eine Darstellung, die den effektiven Wärmeübergang in Abhängigkeit des Vakuums in dem Isolationsschichtmaterial illustriert;
- Figur 15 eine Querschnittsansicht eines zusammengesetzten Isolationsschichtmaterials, das eine Vielzahl von oben beschriebenen Isolationsplatten umfaßt, die entweder in ein steifes oder in ein flexibles Schaummaterial eingebettet sind;
- Figur 16 eine Perspektivansicht eines Teiles eines Isolationsschichtmaterials entsprechend der Erfindung, das in einer weliblechartigen Konfiguration geformt ist;
- Figur 17 eine Perspektivansicht eines wellbiechartigen Isolationsbereiches ähnlich des in Figur 16 gezeigten, jedoch als gebogene Isolationsplatte ausgebildet;
- Figur 18 eine Querschnittsansicht einer Isolationsplatte entsprechend der Erfindung, die als Zylinder mit überlappenden lateralen Kanten geformt ist;
- Figur 19 eine Querschnittsansicht eines zusammengesetzten Isolationsschichtmaterials entsprechend dieser Erfindung, das als geriffelter Röhren- oder Leitungsbereich ausgebildet ist, welcher longitudinal streck- und zusammendrückbar ist;
- Figur 20 eine Querschnittsansicht des zusammengesetzten geriffelten Röhren- oder Leitungsbereiches der Figur 19, wie er um eine Kurve geformt ist;
- Figur 21 illustriert im Querschnitt einen zusammengesetzten geriffelten Röhren- oder Leitungsbereich ähnlich dem in Figur 19 gezeigten, der eingesetzt wird, um zwei unbewegliche Teile von festen und nicht-streckbaren isolierten Leitungen miteinander zu verbinden, der entsprechend den anderen Ausführungsformen dieser Erfindung ausgebildet sein kann;
- Figur 22 eine Perspektivansicht einer röhrenförmigen isolierten Leitung entsprechend dieser Erfindung, bei welcher eine oder mehrere spiralförmige Glasabstandshalter eingesetzt werden, um zwei metallische röhrenförmige Wandbereiche voneinander beabstandet zu halten, um eine isolierte Leitung oder Röhre zu bilden;
- Figur 23 eine Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform des Isolationsschichtmateriales der vorliegenden Erfindung bei welchem der Glasabstandshalter ein flaches Netz ist und die zwei metallischen äußeren dünnen Platten mit Stegen, die transversal zueinander laufen, texturiert ist;
- Figur 24 eine Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform ähnlich der in Figur 23, wobei jedoch die metallischen äußeren dünnen Platten hervorstehende Verdickungen anstelle der Stege haben;
- Figur 25 eine Querschnittsansicht, die eine Anwendung des Isolationsschichtmateriales der vorliegenden Erfindung zur Isolation von Thermopanfenstern von einer Metallrahmenstruktur und auch zur Isolation gegen Wärmeübergang durch feste Strukturelemente, die Verglasungs- oder andere Baumaterialien tragen; und
- Figur 26 zeigt das Isolationsschichtmaterial entsprechend der vorliegenden Erfindung, als Aufsteckkappe ausgebildet, um den Wärmeübergang zwischen einem Fensterrahmen und einer anderen Struktureinheit zu blockieren.
- Die Ausführungsform des ultradünnen Isolationsschichtmateriales 10 die in Figur 1 gezeigt ist und dieser Erfindung entspricht, umfaßt zwei äußere dünne Platten oder Wände 12,14, die in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind. Die Nähte entlang der Kanten des Schichtmateriales, wo sich die zwei äußeren Platten oder Wände 12,14 treffen, sind vorzugsweise durch Schweißen abgedichtet, so wie es bei 18 gezeigt ist. Die innere Kammer 15, die durch die äußeren dünnen Platten oder Wände 12,14 eingeschlossen ist, ist auf ein Vakuum hohen Grades im Bereich von mindestens 10&supmin;&sup5; Torr, vorzugsweise im Bereich von 10&supmin;&sup6; Torr ausgepumpt. Um dieses Vakuum hohen Grades über viele Jahre zu halten, müssen die Kantennähte 18 mit nahezu perfekter leckdichter Qualität abgedichtet werden.
- Wenn die Kammer 15, wie oben beschrieben, evakuiert wird, würde normalerweise der atmosphärische Druck auf die Außenseiten der Wandplatten 12,14 die Wandplatten 12, 14 kollabieren lassen, wodurch ein Kältekurzschluß oder ein direkter Wärmeleitungspfad von einer Wand zu der anderen über das Schichtmaterial hinweg hervorgerufen würde. Um einen solchen Kollaps zu verhindern, ist eine Vielzahl von diskreten Glasabstandshaltern, die die Form von Kugeln 16 haben können, optimal zur mechanischen Abstützung positioniert, um die zwei Wandplatten 12,14 voneinander entfernt zu halten, während die thermische Leitfähigkeit minimiert wird. Es ist vorzuziehen, daß die metallischen Wandplatten 12,14 aus einem Metall niedriger Wärmeleitfähigkeit gebildet sind, wie rostfreiem Stahl oder Titan, welche beide leicht im Vakuum schweißbar sind und ausreichend hart oder steif sind, so daß sie sich nicht um die kugelförmigen Abstandshalter herum formen, jedoch ausreichend verbiegbar sind, so daß das Schichtmaterial in Kurven geformt werden kann. Daher wird nahezu nur ein "Punkt"-Kontakt zwischen den kugelförmigen Glasabstandshaltern 16 und den metallischen Wandplatten 12,14 aufrechterhalten. Für Hochtemperaturanwendungen können die Kugeln 16 keramische Kugeln anstelle von Glas sein, solange sie ihren strukturellen Aufbau, ihre kugelige Form und den Nahezu-Punkt-Kontakt mit den metallischen Wänden 12,14 aufrechterhalten. Daher ist es so zu verstehen, daß keramische Abstandshaltermaterialien ebenso geeignete Äquivalente sind und in den Umfang dieser Erfindung mit aufgenommen sind, obwohl diese Diskussion, die Beschreibung und die Ansprüche sich sehr oft nur auf monolithische Abstandshalter, wie Glas, beziehen.
- Sind einmal die Abstandshalterkugeln 16 richtig positioniert und die Kammer 15 evakuiert, drückt oder klemmt der atmosphärische Druck auf die äußeren Oberflächen der Wandplatten 12,14 die dünnen Platten 12, 14 fest gegen die Abstandshalter 16, wodurch diese in Position gehalten werden. Bei geeignetem Abstand der Abstandshalter 16 kann das Isolationsschichtmaterial 10 sogar gebogen oder um eine Kurve geformt werden, wie es in Figur 1 gezeigt ist, und die Abstandshalterkugeln 16 halten den Abstand zwischen den dünnen Wandplatten 12,14 in der Biegung aufrecht, ohne zu knicken oder einen Kältekurzschluß zwischen zwei dünnen Wandplatten 12,14 zu erlauben.
- Während es eine Anzahl von verschiedenen Wegen zur Befestigung der Abstandshalterkugeln 16 in optimal beabstandeter Beziehung zueinander in der Kammer 15 gibt, ist ein bevorzugtes Verfahren dazu in den Figuren 3 bis 5 beschrieben. Im speziellen werden die Abstandshalterkugeln 16 anfänglich mit einem Polystyrol oder ähnlich adhäsiven Material beschichtet. Diese polystyrolbeschichteten Kugeln 16 werden dann auf die Oberfläche einer Abstandshalteraufnahmeeinrichtung 52 verteilt, welche eine Vielzahl von Taschen 54 auf ihrer Oberfläche mit dem richtigen Abstand, wie er gewünscht ist, zum Haltender Abstandshalterkugeln 16 ausgeformt hat. Eine Wandplatte 12 wird erhitzt und in eine Position oberhalb der Abstandshalterkugeln 16 abgesenkt, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Die Hitze von der Wandplatte 12 schmilzt das Polystyrol auf der Oberfläche der Abstandshalterkugeln 16, so daß die Kugeln 16 an der Wandplatte 12 haften, wie es mit 20 in der Figur 4 gezeigt ist. Daraufhin läßt man die dünne Wandplatte 12 abkühlen, wodurch das Polystyrol abgekühlt wird, und die Abstandshalterkugeln 20 haften an der inneren Oberfläche der dünnen Wandplatte 12. Sobald diese haften, kann die Wandplatte 12 von der Aufnahmeeinrichtung 52 abgehoben werden, wie es in Figur 5 gezeigt ist, wobei die Kugeln 16 in der richtigen Position gehalten werden. Dann kann die äußere dünne Wandplatte 14 hinzugefügt werden, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Mit den zwei zusammengeklemmten dünnen Wandplatten 12,14 und den richtig positionierten Kugeln 16 wird die Anordnung dann auf eine ausreichende Temperatur erhitzt, um das Polystyrol in flüchtigere Styrolmonomere aufzubrechen, welche bei solchen Temperaturen verdampfen. Die Temperatur sollte nicht so hoch sein, daß das Polystyrol in seine Kohlenstoffelemente aufgebrochen wird, da Kohlenstoff eine höhere Leitfähigkeit und eine höhere Infrarotemissivität hat, als es gewünscht ist. Unter jenen Temperaturbedingungen kann die Kammer 15 evakuiert werden und, während sie unter Vakuum gehalten wird, die Kanten 18 verschweißt werden, um das Vakuum in der Kammer 15 abzudichten. Wie es oben erwähnt ist, können auch andere Methoden zur Sicherung der Kugeln an ihrem Platz angewendet werden, während das Klemmen, das Evakuieren und das Schweißabdichten stattfindet. Z.B. können die Kugeln 16 mit geeigneter Beabstandung elektrostatisch positioniert gehalten werden, wenn keramische Abstandshalter 16 und Titanplatten 12,14 benutzt werden. Ebenso können die Kugeln durch ein metallisches Netz in geeigneter Position gehalten werden, bis die äußeren Wandplatten 12, 14 sie am richtigen Platz festklemmen, oder sie können auf Drähte oder Glasfasern gezogen sein.
- Die Ausführungsform 40, die in Figur 6 gezeigt ist, ist ähnlich zu den in den Figuren 1 und 2 gezeigten, mit der Ausnahme, daß große Abstandshalter 16 an der unteren Wandplatte 14 positioniert sind und durch eine Vielzahl von Abstandshaltem 42 kleineren Durchmessers in geeignetem Abstand gehalten werden. Wiederum werden die Abstandshalterkugeln 16 durch den atmosphärischen Druck auf die Außenseite des Schichtmateriales in Position gehalten, sobald die obere dünne Platte 12 in Position geklemmt worden ist, die Kammer 15 evakuiert worden ist und die Kanten 18 verschweißt worden sind.
- Eine andere Ausführungsform 60, wie sie in Figur 7 gezeigt ist, hat die Abstandshalterkugeln 64 integral als Teil eines Abstandshalters 62 ausgeformt. Diese Abstandshalterplatte 62, welche auch in Figur 8 gezeigt ist, ist eine einheitliche Platte aus Glasgewebe 66 mit einer Vielzahl von kugelförmigen Verdickungen 64, die in beiden Richtungen nach außen von dem Gewebe 66 hervorstehen. Die Abstandshalterplatte 62 braucht nur auf der unteren Wandplatte 14 positioniert werden und die obere Wandplatte 12 kann in Position gebracht werden. Sobald die Kammer 15 evakuiert ist und die Kammer 18 abgedichtet ist, werden die Abstandshalterverdickungen oder Kugeln 64 durch den atmosphärischen Druck in ihrer Position festgeklemmt. Daher macht es keinen Unterschied, wenn das Gewebe zerbricht, nachdem das Schichtmaterial zusammengesetzt worden ist. Dementsprechend wird die Isolationsqualität und der strukturelle Aufbau und der Abstand zwischen den Platten 12,14 des Schichtmaterials 60 durch die Verdickungen 64 nach dem Zusammenbau aufrechterhalten, wenn es gewünscht ist, daß das Schichtmaterial 60 um eine Kurve gebogen wird, wodurch das Glasgewebe 66 zerbrechen würde.
- Die Ausführungsform 68, die in Figur 9 gezeigt ist, ist ähnlich der in den Figuren 7 und 8 gezeigten, mit der Ausnahme, daß zwei Abstandshalterplatten 62 angesetzt werden. Die Abstandshalterplatten sind derart positioniert, daß die Verdickungen 64 der einen Platte 62 die eine äußere Wandplatte 12 und eine Seite des Gewebes 66 des benachbarten Schichtmateriales auf der anderen Seite berühren. Diese Ausführungsform definiert einen gewundeneren Pfad durch eine Serie von "Punkt"- Kontakten auf welchen die Wärme geleitet werden muß, um von einer Seite des Schichtmateriales 68 zu der anderen zu gelangen, wodurch dessen thermische Effektivität erhöht wird.
- Ein ähnlicher Effekt, d.h., keinen geraden Wärmeleitungspfad quer durch das Isolationsschichtmaterial aufzuweisen, ist in noch einer anderen Ausführungsform 55 aufgenommen, wie sie in Figur 10 gezeigt ist. Eine einzelne Abstandshalterplatte 62 wird eingesetzt, jedoch sind halbkugelförmige Verdickungen 57 derart beabstandet, daß keine Verdickung 57, die die äußere Wand 12 berührt, direkt gegenüber einer Verdickung 57 liegt, die die innere Wandplatte 24 berührt. Wiederum wird ein gewundener Pfad durch eine Serie von "Punkt"-Kontakten bereitgestellt, d.h., von der Wand 12 zu einer Verdickung 57 durch das Gewebe 66 der Platte 62 zu einer anderen Verdickung 57 und dann zu der Wand 14. Ist die Kammer 15 zwischen den Wänden 12,14 hochgradig evakuiert, so gewährleistet dieser gewundene Pfad wiederum eine hohe thermische Effektivtät.
- Eine andere Ausführungsform 70 entsprechend dieser Erfindung eines hocheffektiven Isolationsschichtmateriales ist in den Figuren 11 bis 13 gezeigt. In dieser Ausführungsform 70 sind zwei Abstandshalterplatten 72, 73 verwendet, von denen jede eine Vielzahl von langgestreckten Stegen 75 bzw. 74, die durch Gewebe 77 bzw. 76 voneinander getrennt sind, aufweist. Diese Abstandshalterplatten 72, 73 sind nahe zueinander derart positioniert, daß die Stege 74 der Platte 72 senkrecht zu den Stegen 75 der Platte 73 verlaufen. Auf diese Weise haben die Stege 74 der Platte 72 Linienkontakt mit der außeren Wandplatte 12. Ähnlich haben die Rippen 75 der Platte 73 Linienkontakt mit der anderen außeren Wandplatte 14. Durch derartige Linienkontakte ist es für die Warme etwas schwieriger aufgrund von durch Warmeleitfahigkeit zu fließen. Außerdem sind die Kontakte zwischen den Stegen 74 auf der Platte 72 und den Stegen 75 auf der Platte 73 im wesentlichen "Punkt"-Kontakte, d.h., fast vernachlässigbare Wärmeleiter. Für noch höhere Isolationswirksamkeit kann eine Vielzahl von kleineren Schichtmaterialien, die wie oben entsprechend einer der Ausführungsformen 10, 40, 60, 68, 70, gefertigt worden sind, gestapelt oder miteinander laminiert werden. Z.B. ist, wie es in der Figur 15 gezeigt ist, eine Vielzahl von Schichtplatten 10 gestapelt oder miteinander in einem zusammengesetzten Schichtmaterial 80 miteinander laminiert, indem sie in einem konventionelleren Isolationsmaterial 82 wie Isolation aus entweder steifem oder flexiblem Schaum oder verfestigtem Pulverisolationsmaterial eingebettet sind oder daran haften. Die Schichtplatten 10 werden vorzugsweise mit einer Schicht konventionellen Materials 82 zwischen jeder Platte 10 gestapelt. Diese Anordnung erfordert es für jegliche Warme, die das konventionelle Isolationsmaterial 82 in dem zusammengesetzten Schichtmaterial 80, das in Figur 15 gezeigt ist, durchquert, einen gewundenen Pfad zu benutzen, wie er durch den Pfeil 94 angedeutet ist. Ein R50- oder ein größerer Isolationswert kann mit dem zusammengesetzten Schichtmaterial 80 von nur einem Zoll Dicke erhalten werden. Zusammengesetzte Schichtmaterialien 80 diesen Aufbaus können leicht um Kurven geformt werden oder in jeder anderen gewünschten Form eingesetzt werden. Eine Anzahl von Möglichkeiten steht zur Erhöhung der Starke und der Gebrauchsfahigkeit der Schichtmaterialien zur Verfügung, die nach den Prinzipien der Ausführungsform 10, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, hergestellt sind. Figuren 16,17,18, 19 und 20 zeigen einige dieser Möglichkeiten.
- Eine Ausführungsform 85 in Figur 16 basiert auf der Ausführungsform 10 und schafft eine wellige Struktur in Richtung parallel zu der X-Achse, wie es in Figur 16 dargestellt ist. Kugelförmige Verdickungen 16 oder andere Glasabstandshalter, wie sie oben beschrieben sind, trennen die Wände 12 und 14 und die Kammer 15 ist hochgradig evakuiert. Die geschweißte Naht 18 erhält das Vakuum aufrecht. Die wellenartigen Strukturen halten das Schichtmaterial 85 in einer Richtung steif, während sie ihm erlauben, sich in einer anderen Richtung, wie es in der Figur 17 gezeigt ist, zu verbiegen. Wenn die Ausführungsform 85 im wesentlichen in einer Ebene, die durch die X-Y-Achsen aufgespannt wird, ausgerichtet ist, dann ist gemäß der Figur 16 die Ausführungsform steif bezüglich einer Bewegung in Richtung von X nach +Z oder X nach -Z; und flexibel bezüglich einer Bewegung in der Richtung Y nach +Z und Y nach -Z.
- Eine Ausführungsform 87 entsprechend der Figur 18 ist auch in Übereinstimmung mit den generellen Prinzipien der Ausführungsform 10 der Figur 2 oder einer anderen Ausführungsform des Isolationsschichtmaterials, wie sie oben beschrieben sind, aufgebaut. Jedoch ist in der Ausführungsform 87 das Isolationsschichtmaterial zu einem Zylinder oder einer anderen einschließenden Konfiguration gebogen, bei welcher die Wände 12,14 an ihren Enden 88, 89 überlappen, wodurch der thermische Energieverlust durch die verschweißten Nähte 18 verringert wird. Eine solche Möglichkeit, das Isolationsschichtmaterial zu verbiegen und die Enden überlappen zu lassen, stellt ein thermisch weniger effektives Mittel zur Verbindung der Enden 88, 89 der Ausführungsform 87 für solche Anwendungen wie das Umwickeln von Heißwassererhitzern oder anderen Gefäßen, die isoliert werden müssen, zur Verfügung.
- Ein Isolationsschichtmaterial entsprechend der vorliegenden Erfindung kann auch in einer gerippten Röhren- oder Leitungsausführungsform 125, wie es in dem Querschnitt der Figur 19 gezeigt ist, ausgebildet sein. Die Rippen oder akkordeonartigen Falten 126 erlauben es dieser Röhre oder Leitung 125 gebogen zu werden, wie es in Figur 20 gezeigt ist, oder longitudinal auseinandergezogen oder zusammengedrückt zu werden, so daß zwei unbewegliche steife Leitungen 110 miteinander verbunden werden können, wie es in Figur 21 gezeigt ist. Eine weniger flexible isolierte Röhren- oder Leitungsausführungsform 1101 die in Figur 22 gezeigt ist, hat glatte innere und äußere Wände 12,14. Die Wände 12 formen die äußere Oberfläche der isolierten Leitung, während die Wand 14 die innere Leitung 113 bildet. Der Abstand zwischen den Wänden 12 und 14, der den evakuierten Raum 15 bildet, ist in Figur 22 gezeigt und wird von spiralförmigen Glas- oder Keramikspiralen 111,112 aufrechterhalten, wobei auch andere Ansammlungen oder Abstandshalterausführungsformen, wie sie oben beschrieben sind, eingesetzt werden können, um den Vakuumraum zu erhalten. Eine sehr hohe thermische Isolationseffektivität bei dünnwandigen Röhren oder Leitungen kann für Flüssigkeiten oder Gase erhalten werden, einschließlich kryogenischen Materialien, die in der Leitung 113 innerhalb der Leitungsausführungsform 110 fließen oder darin enthalten sind. Die Enden von gewissen Langen solcher isolierenden Leitungen 110 können miteinander oder mit konventionellen Leitungen mit Hilfe des gerippen Verbinders 125, wie er oben beschrieben ist, verbunden werden. Wenn die Enden 126,127 des Verbinders 125 mit den Enden der Leitung 110 überlappen, wie es in Figur 21 gezeigt ist, wird die Isolationseffektivität an diesen Verbindungen aufrechterhalten, auch wenn sie verschweißt sind.
- Die Ausführungsform 115 entsprechend der Figur 23 umfaßt zwei gewellte Wände 12, 14, die langgestreckte Stege oder hervorstehende Bereiche 22 haben, die Täler 118 und Erhebungen 119 bilden, und einen Glasabstandshalter 120, der zwischen den Wänden 12,14 angeordnet ist. Die Wände 12,14 sind durch die Schweißnaht 18 miteinander verbunden. Die Wand 12 ist so ausgerichtet, daß die Stege 122 rechte Winkel mit den Stegen der Wand 14 bilden. Der Abstandshalter 120 trennt die Täler 118 der Wand 12 und der Wand 14. Die Ausrichtung im rechten Winkel der Stege 122 entsprechend den Wänden 12,14 bildet im wesentlichen sehr kleindimensionierte (beinahe punktförmige) direkte Übermittelungskontakte oder Wärmeübertragungspfade durch den Glasabstandshalter 120, wo die Täler 118 der entsprechenden Wände 12,14 einander kreuzen. In diesem Sinne ist diese Ausführungsform praktisch eine stukturelle Umkehrung der Ausführungsform 70 der Figuren 11 bis 13, wie sie oben beschrieben ist. Die Kammer 121, die unter den Erhebungen 119 der Wände 12,14 gebildet ist, wird evakuiert. So eine Anordnung stellt eine lsolationsschichtmaterialstruktur zur Verfügung, die sehr steif ist und eine große Stärke in Relation zu ihrem Gewicht aufweist, während sie außerdem einen hohen Grad thermischer Isolation bereitstellt.
- Die Ausführungsform 130 entsprechend der Figur 24 ist im Konzept ähnlich der Ausführungsform 55 der Figur 10, außer das halbkugelförmige Verdickungen 133 an den Wänden 12,14 der Ausführungsform 130 gebildet sind. Der Abstandshalter 134 ist eine flache Platte aus Glas oder Keramik. Schweißnähte 18 sind als Abdichtung vorgesehen, um das Vakuum der evakuierten Kammer 15 aufrechtzuerhalten. Daher ist das Schichtmaterial 130 im wesentlichen die strukturelle Umkehrung des Schichtmaterials 55 und bietet ähnliche Vorteile und Isolationswirksamkeit.
- Noch eine andere Ausführungsform 140 ist in Figur 25 gezeigt. Die Ausführungsform 140 kann als Wärmeisolationskonstruktion für Strukturfenster eingesetzt werden. Z.B. kann ein 1-Profil oder ein C-Kanal 141 als Grundstrukturelement vorgesehen sein. Zwei isolierende Schichtmaterialstrukturen 142, 242, die z.B. ähnlich demjenigen, das in der Ausführungsform 10 der Figur 2 oder entsprechend irgendeiner anderen oben beschriebenen geeigneten Schichtmaterialstruktur aufgebaut ist, umgeben das Profil 141 und passen sich dessen Form an. Thermische Isolationsräume 143, 243 trennen die Strukturen 142, 242. Federteile 144, 244 schmiegen sich gegen die Strukturen 142 und bilden eine Abdichtung und erlauben die verschiedene Ausdehnung der Glasscheiben 145,147,148. Die Glasscheibe 145 ist als ein evakuiertes, verschmolzenes Thermopanfenster dargestellt. So ein typisches Fenster kann auch aus einer Vielzahl von Glasscheiben 147,148, die durch eine Abdichtstruktur 146 an den Kanten abgedichtet sind, die aus Plastik, Metall oder irgendeinem anderen geeigneten Material besteht, aufgebaut sein. Kompressible Dichtungen 149, 249 unterstützen die Verhinderung von Luft- oder Wassereintritt. Die Ausführungsform 140 stellt so eine starke Fensterstruktur mit einer Rahmenstruktur zur Verfügung, die hohe effiziente thermische Isolationseigenschaften aufgrund der sehr langen Wärmeleitfähigkeitspfade hat. Figur 26 zeigt eine Abwandlung des Isolationsfensteraufbaues der Figur 25, wobei die Thermopanfenster 145 in einer I-Profilstruktur 241 durch Gummidichten werden. Die Isolationsschichtmaterialien 342, 442 dieser Ausführungsform sind mit C-förmigen Querschnitten ausgebildet, die auf den äußeren Oberflächen der entsprechenden Flansche 451, 452 befestigt werden und diese bedecken. Jedes Isolationsschichtmaterial 342, 442 muß nur 0,1 Zoll (2,5 mm) dick sein, weist jedoch einen R15-Isolationswert auf. Daher können die beiden Schichtmaterialien 451, 452 zusammen eine R30-Isolation auf Fensterrahmen 441 und anderen ähnlichen Strukturen, die sonst praktisch Kältekurzschlüsse bei Gebäudefenstern sind, zur Verfügung stellen, die ein ansprechendes - beinahe unsichtbares - Äußeres aufweisen.
- Die Kugeln 16, Spiralen 101 oder Abstandshalterplatten 62, 72, 73,120,134 werden für Anwendungen, bei denen die Temperaturen weniger als 400ºC betragen, aus einer Anzahl von Gründen vorzugsweise aus Glas gefertigt, von denen der wichtigste die Eigenschaft sehr geringer Ausgasung von Glas ist. Glas hat auch eine hohe Kompressionsstärke, mechanische Steifheit, geringe thermische Leitfähigkeit, geringe Kosten und ist leicht herzustellen. Außerdem ist Glas für thermische Infrarotstrahlung im wesentlichen undurchlässig, was selbstverständlich den Strahlungswärmeübertrag über die Isolationsschichtmaterialien 10,100,115,130 minimiert, im speziellen, wenn die Abstandshalterplatten 62, 72, 73,120, 134 eingesetzt werden. In Anwendungen, wo die Temperaturen 400ºC übersteigen, können die Kugeln 16, Spiralen 101 oder Abstandshalterplatten 62, 72, 73,120,134 aus keramischem Material gefertigt sein.
- Optische Abweisung von Wärme kann auch durch das Abringen von gering emittierenden Beschichtungen 17,19 aus Kupfer, Silber oder einem anderen gering emittierenden Material, vorzugsweise auf den inneren Oberflächen der Wandplatten 12,14, 131,132 verstärkt werden; Solche gering emittierenden Materialien können auch auf die Oberflächen der Abstandshalterplatten selbst beschichtet werden, im speziellen wo nicht angenommen wird, daß das Gewebe 66, 77 oder die Abstandshalter 120, 134 bei der speziellen Anwendung zerbrochen werden. Ein Metallgetter 21, wie er in Figur 2 gezeigt ist, kann auch in der Kammer 15 von irgendeiner der Ausführungsformen der Isolationsschichtmaterialien, wie sie oben beschrieben sind, eingebracht werden (obwohl er nicht in allen Figuren dargestellt ist), bevor die Kammer 15 ausgepumpt und abgedichtet wird. Der Metallgetter fängt jede kleine Menge reaktiven Gases, das von den Glaskugeln oder den Metallwänden desorbiert wird, was während der viele Jahre andauernden Lebensdauer auftreten kann.
- Die Größenordnung des Vakuums und seine Abstimmung mit der Breite der Vakuumkammer 15 ist bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen wichtig. Vakuum niedrigen Grades im Bereich 10&supmin;&sup7; Atmosphären (10&supmin;&sup4; Torr) sind ungeeignet, um viel zu dem Wärmeübertragungswiderstand oder der Isolationsqualität des Schichtmateriales beizutragen. Die flache Linie 90 in der Darstellung der Figur 14 zeigt den Punkt an, wo das Vakuum überhaupt nicht zu einem Abfall in der Rate der Wärmeübertragung über das Schichtmaterial beiträgt, bis ausreichend viel Luft (oder andere Gase) in einem Ausmaß abgepumpt worden sind, daß die mittlere freie Weglänge eines Moleküles zwischen zwei Kollisionen mit anderen Molekülen gleich der Beabstandung oder der Entfernung zwischen der heißen und der kalten Platte ist. Für ultradünne, hochgradige Isolationsschichtmaterialien, wie sie durch diese Erfindung beabsichtigt sind, ist die mittlere freie Weglänge bei einem Vakuum von 10&supmin;&sup4; Torr gleich dem Abstand zwischen den zwei Wandoberflächen, wie es durch die Kurve 92 in der Darstellung der Figur 14 angedeutet ist. Von diesem Punkt an nimmt die Wärmeleitfähigkeit ziemlich linear in Relation zu einer Abnahme des Gasdruckes in der Kammer 15 ab, wie es durch die Linie 94 in der Figur 14 angedeutet ist, d.h., die Isolationseffektivität steigt an. Dann, bei ungefähr 10&supmin;&sup6; Torr, führt eine weitere Abnahme des Druckes nicht zu einer signifikanten Abnahme des Wärmeübertrages, da fast der gesamte Wärmeübertrag in diesem Bereich, wie er durch die Linie 96 in der Figur 14 angedeutet ist, aus Strahlung herrührt. Daher ist es nötig, ein Vakuum hohen Grades mit einem Druck von 10&supmin;&sup6; Torr oder niedriger aufrechtzuerhalten, um nicht nur den Vorteil des Vakuums auszunutzen, sondern auch den vorteilhaften Einsatz von Vakuum bei dieser Art von Isolationsanwendung zu optimieren.
- Zum Zwecke der Illustration kann das ultradünne Isolationsschichtmaterial entsprechend der Erfindung sehr effektiv hergestellt und sehr vorteilhaft eingesetzt werden, wenn es eine Gesamtdicke im Bereich von ungefähr 0,1 Zoll (2,4 mm) hat. Die dünnen metallischen Wandplatten können 0,005 bis 0,010 Zoll (0,2 bis 0,3 mm) dick sein und der Abstandshalter kann ungefähr 0,08 Zoll (2 mm) sein. Die Glasabstandshaltereinsätze 62, 72, 73 können dünne ausgerollte Glasplatten mit regelmäßig beabstandeten kugelförmigen Verdickungen 64 oder Stegen 74, 75 sein. Gasphasenwärmeleitfähigkeit wird durch das Abdichten der Kammer 15 unter einem hochgradigen Vakuum mit einem Druck von 10&supmin;&sup5; Torr, vorzugsweise 10&supmin;&sup6; Torr oder weniger, nahezu verhindert, wie es die Figur 14 darstellt und oben diskutiert ist. Festkörperwärmeleitung wird durch den Gebrauch von Material niedriger thermischer Leitfähigkeit wie Glas für mechanische Seitenwandtragestrukturen oder Abstandshalter und durch den Einsatz von nahezu nur "Punkt-"förmigen Kontakten zwischen den Trägerstrukturen und den Wandplatten, wie es oben mit Bezug zu den speziellen Strukturen und Ausführungsformen dargestellt ist, minimiert. Ein Isolationsschichtmaterial von 0,1 Zoll (2,5 mm) Dicke, wie es oben beschrieben ist, kann einen Isolationswert von bis zu R15, d.h. R = 15º F - hr. ft²/BTU haben, die der Wärmeübermittlung genauso gut widersteht, wie ein 2 1/2 Zoll dicker Abschnitt eines Polymerschaumes oder nahezu 7 Zoll Fiberglas von Standarddichte.
- Zur Illustration und nicht als Beschränkung wird das folgende als Beschreibung der Vorteile der Ausführungsformen der ultradünnen kompakten Vakuumisolation (KVI) der vorliegenden Erfindung aufgrund solcher Dinge wie ihrer Kompaktheit, ihrer effektiven Arbeitstemperaturen, ihrem geringen Gewicht und der Verringerung des Gebrauchs von Fluorchlorkohlenstoffs (FCK) angegeben. In vielen Anwendungen wird ein Preis für Raum gezahlt und ein Isolationsmaterial hoher Leistungsfähigkeit, das einen geringeren Raum einnimmt, ist daher wertvoller. Als Indikator derartiger Anwendungen kann der wachsende Einsatz von teurem expandiertem Schaumprodukten mit R-Werten von 5 bis 10 pro Zoll oder anderen exotischen Isolationen anstatt billiger Isolationsmaterialien sowie Fiberglas, Steinwolle und Zellulose mit R-Werten von 2 bis 4 pro Zoll dienen.
- Solche Anwendungen umfassen: Kühlschränke; Gefrierautomaten; Presentationsschaukästen für gekühlte Produkte wie Fleisch, Naturerzeugnisse, Blumen und alkoholische Getränke; gekühlte Transportcontainer für verschiedene Verkehrsmittel; gekühlte Lastwagen, Tank- und Eisenbahnwagen; Dampf-, Heiß- und Kaitwasserleitungen; Bezirksheizungs- und Kühlungsleitungen; Heiß- und Kaltlagertanks oder -container für industrielle Prozesse; Ausrüstung für industrielle Heiß- und Kaltprozesse; Automobil-, Zug-, Flugzeug- und Schiffskarosserien bzw. -rümpfe; beim Aufbau von HVAC-Ausrüstung und -Leitungen; Dächer, Wände und Fußböden für Gebäude; gekühlte Computerschaltkreise und -komponenten; Lagertanks für den täglichen und jährlichen Wechsel; tragbare Heiß- und Kaltlagerungs- und -transportcontainer; thermische Isolation von wärmeerzeugenden Computerkomponenten und anderen Betriebsarten; Temperaturaufrechterhaltung von Hochtemperaturprozessen sowie Natrium-Schwefelbatterien und wärmezurückhaltende Diesel.
- Die ultradünnen KVI-Isolationsplatten und -leitungen entsprechend dieser Erfindung, wie sie oben beschrieben sind, sind genauso wirksam bei Tieftemperaturprozessen, -transporten und Lagerungssituationen wie die dickeren komplexeren kryogepumpten Isolationen des Standes der Technik, wo eine geschichtete Vielfolienisolation kontinuierlich durch thermsiche Absorption durch das extrem kalte Material selbst vakuumgepumpt wird. Da jedoch die ultradünnen KVI-Isolationsplatten und -leitungen der vorliegenden Erfindung nicht auf einem derartigen Kryopumpen basieren, um ihre Isolationseffektivität aufrechtzuerhalten, benötigen sie nicht einen solchen Energieeintrag bzw. Energieverschwendung. Als weiteren Unterschied ist die Isolation entsprechend der vorliegenden Erfindung genauso effektiv in Umgebungs- und Hochtemperaturanwendungen wie in Tieftemperaturanwendungen, wohingegen kryogepumpte Isolationen nur bei extrem tiefen Temperaturen arbeitet, und die ultradünne KVI ist weniger sperrig und flexibler als kryogepumpte Isolation.
- Im Zusammenhang mit diesen Tieftemperaturanwendungen steht der Fall der Hochtemperatursupraleiter. Solange Supraleitung nur bei Tiefstemperaturen möglich war, wurde Elektrizität durch Leitungen übermittelt, die ihre Vielfolienisolationsummangelungen kryogepumpt haben. Solcher Energieverlust aufgrund des Kryopumpens der Isolation konnte wesentiich werden, wenn große Längen von supraleitenden Verdrahtungen kryogepumpt wurden. Ein solcher Energieverlust könnte mit der ultradünnen KVI-Isolation der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, vermieden werden. Genauso wichtig ist jedoch die fortlaufende Weiterentwicklung der Supraleiter, die bei Temperaturen oberhalb von Tiefsttemperaturen arbeiten und deshalb eine weniger effektive Isolation benötigen. Da Kryopumpen bei höheren Temperaturen nicht auftritt, kann die ultradünne KVI-Isolation dieser Erfindung die einzige derzeit vorhandene praktische Alternative sein.
- Vorteile des relativ geringen Gewichts der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegenüber den Isolationsmaterialien und -techniken des Standes der Technik umfassen: zur Fabrikation und zur Verarbeitung werden billigere Maschinen geringeren Gewichts benötigt; zur Befestigung an anderen Strukturen werden Befestigungsmittel geringeren Gewichts gebraucht; zum Halten der vorliegenden Erfindung genügen Strukturen geringeren Gewichts; und zum Transport der Ausführungsformen, der Befestigungsmittel und des begleitenden Aufbaus, sofern ein solcher vorhanden ist, und an welchem sie befestigt sind oder auf welchem sie lagern, wird weniger Treibstoff und Aufwand benötigt.
- Als weiteres Beispiel werden existierende und voraussichtliche Isolationsprodukte mit einer Ausführungsform der vorliegenden kompakten Vakuumisolations-(KVI)- Erfindung in der nun folgenden Tabelle verglichen. Ungefähre Werte für einen Prototyp eines 17-Kubikfuß-Kühlschrankes/-Gefrierautomaten
- Ein anderer Vorteil der fortschrittlichen Isolation entsprechend dieser Erfindung liegt in der wachsenden Wichtigkeit der Tatsache, daß ein chemischer Grundstoff der besten Isolationen niedriger Kosten, die derzeit zu erhalten sind, d.h., expandierte Polymerschäume, die Ozonschicht der Erde schädigt. Der Fluorkohlenwasserstoff (FCK), der zum "Aufbiasen" (oder Expandieren) des Schaumes eingesetzt wird, entweicht mit der Zeit aus dem Schaum, steigt langsam in die Stratosphäre, wo er über ein 50jähiges Leben als Katalysator für die Zerstörung von Ozon in einer Menge,die dem 50.000-fachen seines eigenen Gewichtes entspricht, wirkt.
- Neben der Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, einen direkten Ersatz in vielen Anwendungen für FCK-expandierte isolierende Schäume zu sein, werden die anderen Eigenschaften des leichten Gewichtes, der Kompaktheit, derzeit nicht in Vorrichtungen und anderen Anwendungen benutzt, genauso wie die nun vorgeschlagenen. In vielen Fällen, wo die thermische Ummantelung Räume für Produkte umhüllt, die durch Standard-Dampfkompressionsausrüstungen mit FCK-Arbeitsflüssigkeit oder Kühlmittel gekühlt wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung sowohl eine Größenverringerung der Dampfkompressionsausrüstung und eine entsprechende Verringerung der Menge von FCK-Kühlmittel, als auch eine Verringerung der Energie, die zum Erreichen und Aufrechterhalten der gewünschten Kühl- oder Gefriertemperatur in umschlossenen Räumen benötigt wird. Mit der Verringerung von Fluorchlorkohlenstoffen in der Kompressionsausrüstung in Kombination mit dem Ersatz der FCK- emittierenden Materialien durch KVI als Isolation, können Kühlausrüstungen und andere FCK-Isolationsmethoden als Hauptquelle der FCK-Umweltverschmutzung ausgesondert werden.
- Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen dieser Erfindung, die ein wellenförmiges Design haben, ist die Verstärkung der Möglichkeit, die KVI in der Richtung senkrecht zu der Richtung der gewellten Stege, wie sie in den Figuren 16 und 17 gezeigt und oben beschrieben worden sind, zu biegen. Diese gewellte Konfiguration erlaubt ein leichtes Formen des Isolationsschichtmateriales um zylindrische Tanks. Die Welligkeit reduziert außerdem den Kontakt mit einer steifen, nicht-gewellten äußeren oder inneren Oberfläche im wesentlichen auf eine Anzahl von Linienkontakten, wodurch das zu isolierende Objekt zusätzlich thermisch isoliert wird. Im Falle von isolierten Leitungen oder Röhren erlaubt ein solches gewelltes Isolationsschichtmaterial das Biegen der Leitung oder Röhre, während ein sehr starkes "Ringsteiflgkeits"-(hoop strength)- Design gegen ein Kollabieren aufrechterhalten wird.
- Eine andere Anwendung für die ultradünne kompakte Vakuumisolation bezieht sich auf die kürzlichen Verbesserungen bei Verglasungen. Ausgehend von einem R-Wert von ungefähr eins für Einfachverglasungen und ungefähr zwei für Standarddoppelverglasungen sind in den letzten fünf Jahren Designs und Prototypen für fortschrittliche Verglasungen mit R-Werten von drei bis zehn erschienen. Ein Ergebnis dieser Fortschritte ist es, daß mehr Beachtung auf den Fensterrahmen selbst gerichtet wird, welcher bis zu 30% zu den Rohbauöffnungen ("groben Öffnungen") für die gesamte Fensterfläche in der Außenhaut eines Gebäudes beitragen kann, jedoch oftmals einen merklichen Kältekurzschluß zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gebäudes darstellt. Hölzerne und vinylumhüllte hölzerne Rahmen sind bescheidene Verbesserungen mit maximalen Gesamt-R-Werten, die fünf erreichen. Betrachtet man jedoch den Effekt der Fensterrahmen auf den R-Wert integriert über die gesamte Fensterfläche, so wäre eine viel größere Verbesserung vorteilhaft.
- Die Fensterrahmenabdeckungen oder -kappen 142, 242, wie sie in der Figur 25 gezeigt sind, und 342, 442, wie sie in Figur 26 gezeigt sind und oben beschrieben sind, die aus dem ultradünnen kompakten Vakuumisolationsschichtmaterial bestehen, können R30-Isolationswerte erreichen, wenn sie sowohl auf der inneren als auch auf der äußeren Seite des Fensterrahmens installiert sind, und R15, wenn sie nur auf einer Seite installiert sind, wobei die Schichtmaterialdicke einen so kleinen Wert wie 0,1 Zoll (2,5 mm) hat.
- Die folgende Tabelle vergleicht die Effekte der Rahmen verschiedener R-Werte auf den integrierten R-Wert der Fensteröffnungen. Integrierte R-Werte für ein Fenster mit 10 ft²
- Die vorhergehende Beschreibung ist nur als beispielshaft für die Prinzipien der Erfindung anzusehen. Da sich dem Fachmann eine Vielzahl von Modifikationen und Änderungen aufleichte Weise erschließen werden, ist es außerdem nicht beabsichtigt, die Erfindung auf den exakten Aufbau und die exakten Verfahren, wie sie oben beschrieben sind, zu beschranken. Dementsprechend sollen alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente als in den Umfang der Erfindungen fallend angesehen werden, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
Claims (10)
1. Ultradünnes, kompaktes Vakuumisolationsmaterial, das folgendes umfaßt:
zwei harte dünne Platten (12, 14), die äußere Kanten haben, wobei die dünnen
Platten (12, 14) benachbart zueinander, jedoch mit einem Abstand voneinander
angeordnet sind, wodurch ein Raum (15) zwischen den dünnen Platten (12,14) gebildet
wird, und Glas- oder Keramikabstandshalter (16, 62, 72, 73,120,134), die zwischen
den dünnen Platten (12,14) zur Aufrechterhaltung des Abstandes zwischen den
dünnen Platten (12,14) angeodnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dünnen Platten (12,14) verbiegbare dünne Metallplatten einer Dicke im Bereich
von weniger als 0,3 mm, jedoch ausreichend hart oder steif um nahezu nur
punktförmigen oder linienförmigen Kontakt zwischen den dünnen Platten und den
Abstandshaltern aufrechtzuerhalten, sind, wobei die äußeren Kanten von einer dünnen
Platte direkt durch Schweißen mit den äußeren Kanten der anderen dünnen Platte
mittels Metallschweißnähten (18) verbunden sind, um den Raum (15) abzudichten,
und der Raum (15) zwischen den dünnen Platten (12, 14) auf ein hochgradiges,
langanhaltendes Vakuum mit einem Druck von höchstens 1,33 x 10&supmin;³ Pa (10&supmin;&sup5; Torr)
evakuiert ist.
2. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 1, wobei die
Abstandshalter ein dünnes Gewebe (62) umfassen, das eine Vielzahl von
hervorstehenden Bereichen (64) hat, die sich lateral von beiden Seiten des Gewebes nach
außen zum Kontakt mit den dünnen Metallplatten erstrecken.
3. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 2, worin die
hervorstehenden Bereiche in der Form von abgerundeten Verdickungen sind, die in
zueinander beabstandeter Beziehung zueinander lateral von dem Gewebe hervorstehen.
4. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 3, das zwei der
Gewebe umfaßt, die Seite an Seite in diesem Raum in einer solchen Weise angeordnet
sind, daß die Verdickungen auf dem einen Gewebe nicht mehr als eine dünne
Metallplatte berühren und daß ein Zwischengewebe zwischen dem einen Gewebe und
der anderen dünnen Metaliplatte vorhanden ist.
5. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 2, worin die
beabstandeten, hervorstehenden Bereiche, die lateral von dem Gewebe (72) nach außen
hervorstehen, langgestreckte Stege (75) sind, die ausgebildet sind, um nahezu nur
"Linien"-Kontakte mit der inneren Oberfläche einer dünnen Metaliplatte zu haben.
6. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 5, das zwei solcher
Gewebe mit stegförmigen hervorstehenden Bereichen aufweist, die Seite an Seite
zwischen den dünnen Metallplatten angeordnet sind, wobei die zwei Gewebe so
angeordnet sind, daß die jeweiligen Stege des einen in eine andere Richtung laufen als
die Stege der benachbarten dünnen Platte, so daß die Stege von benachbarten
dünnen Platten nahezu nur "Punkt"-Kontakt zueinander haben.
7. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 6, worin die
hervorstehenden Stegbereiche einen dreieckigen Querschnitt haben.
8. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 6, worin die Gewebe
so angeordnet sind, daß die Stege von benachbarten Geweben im wesentlichen
senkrecht zueinander verlaufen.
9. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 1, worin das Vakuum
in dem Bereich von ungefähr 10&supmin;&sup6; Torr ist.
10. Ultradünnes Vakuumisolationsschichtmaterial nach Anspruch 1, worin die dünnen
Metallplatten eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,2 bis 0,3 mm (0,005 bis 0,010
Zoll) haben und mit einem Abstand im Bereich von ungefähr 2 mm (0,08 Zoll)
voneinander beabstandet sind und das Vakuum im Bereich von 10&supmin;&sup6; Torr ist.
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