DE69122249T2

DE69122249T2 - Verbesserte kompakte vakuumisolation

Info

Publication number: DE69122249T2
Application number: DE69122249T
Authority: DE
Inventors: David Benson; Thomas F Potter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-12
Filing date: 1991-06-12
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-06-13
Also published as: EP0535147A1; DK0535147T3; GR3021712T3; DE69122249D1; WO1991019867A1; AU662294B2; ATE143084T1; EP0535147A4; AU8228991A; JPH05509381A; ES2091935T3; US5157893A; JP3045543B2; EP0535147B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Isolierplatten und insbesondere Vakuum-Isolierplatten, die einen hohen Widerstand gegenüber Wärmeübertragung aufweisen und dünn und biegbar sind, so daß gekrümmte und anders geformte Isolierplatten hergestellt werden können, den Einsatz derartiger Platten und Verfahren zum Herstellen derselben.

Technischer Hintergrund

Die allgemeine Idee der Isolierung, um Wärmeübertragung entgegenzuwirken, bzw. die Idee, Vakuumplatten für diese Isolierzwecke einzusetzen, ist nicht neu. Jedoch besteht ein schnell anwachsender Bedarf nach erheblich verbesserter Isolierung unter dem Aspekt, eine Kombination aus besserem Isolierwirkungsgrad, leichteren, dünneren, haltbareren und besser biegbaren bzw. formbaren Isoliererzeugnissen zu schaffen. Der Bedarf nach derartigen besseren Isoliererzeugnissen entsteht auf so unterschiedlichen Gebieten wie Raumfahrzeugen und -ausrüstungen, Tiefsttemperatur-Kryogenbehälter und -rohren für wissenschaftliche und industrielle Einsatzzwecke und auch normalen Haushaltsgeräten. So ist beispielsweise für Raumfahrzeuge und -ausrüstungen, die im All eingesetzt werden, eine qualitativ hochwertige Isolierung erforderlich, um Menschen und Ausrüstungen zu schützen, jedoch ist kein Raum für normalerweise voluminöse isolierte Wände und Platten vorhanden.
Die Isolierung nach dem Stand der Technik für Tieftemperatureinsatzzwecke ist kompliziert und kostenaufwendig und weist dennoch erhebliche Nachteile auf. So wird beispielsweise eine als "Kryopump-Isolierung" ("cryopumped insulation") bekannte Isolierstruktur oft zum Isolieren von Tieftemperaturbehältern und -rohren eingesetzt. Diese Kryopump-Isolierung umfaßt viele laminierte Schichten aus undurchlässigem Material, die an den Rändern abgedichtet sind und an das Tieftemperaturmaterial, beispielsweise flüssigen Stickstoff, angrenzend angeordnet ist. Der flüssige Stickstoff ist so kalt, daß durch ihn die Luft in angrenzenden abgedichteten Räumen zwischen den laminierten Lagen verflüssigt wird, so daß in den Zwischenräumen ein Teilvakuum besteht. Zu dieser Luftverflüssigungserscheinung kommt es durch angrenzende Schichten hindurch in einer ausreichenden Tiefe in die laminierte Isolierstruktur hinein, so daß Wärmeübertragung durch die angrenzenden Vakuumschichten eingeschränkt wird, die in den Isolierstrukturen erzeugt oder durch "Kryopumpen" hergestellt werden.
Obwohl diese durch "Kryopumpen" erzeugte Isolierung bei den außerordentlich niedrigen Temperaturen von Tieftemperaturmaterialen, wie flüssigem Stickstoff, die kalt genug sind, um Luft zu verflüssigen, recht gut funktioniert, isoliert sie in normalen Temperaturbereichen nicht gut. Darüber hinaus ist diese durch "Kryopumpen" erzeugte Isolierung relativ dick und voluminös, wobei normalerweise mehrere Inch Dicke erforderlich sind, um wirksam zu sein, und es ist kostenaufwendig und schwierig, sie in gewünschte Formen bzw. Umrisse zu bringen. Jedoch gab es vor der vorliegenden Erfindung keine dünnen, nicht voluminösen, formbaren und dennoch gleich wirksamen Alternativen.
Im Haushaltsbereich fordern sowohl Verbraucher als auch staatliche Stellen, daß die Hersteller von Haushaltsgeräten, wie beispielsweise Kühlschränken, Wassererhitzern, Geschirrspülern, Waschmaschinen, Wäschetrocknern und dergleichen, diese Geräte mit besserer Energieausbeute herstellen. So hat beispielsweise die California Energy Commission eine 30%ige Verringerung des Energieverbrauchs bei Kühlschränken/Gefrierschränken vorgeschrieben, die in diesem Bundesstaat 1992 verkauft werden. Diese vorgeschriebene Verringerung des Energieverbrauchs läßt sich bei Aufrechterhaltung der gegenwärtigen Maße nicht erzielen, ohne den thermischen Wirkungsgrad der Seitenwände erheblich zu verbessern. Mit der gegenwärtigen Technologie wäre es möglich, die Wärmeübertragung durch die Seitenwände von Geräten zu verringern, indem isolierte Wandplatten erheblich dicker ausgeführt werden. Da es jedoch die architektonischen Gegebenheiten von Häusern und Wohnungen, Türbreiten und dergleichen praktisch ausschließen, die Außenmaße von Haushaltsgeräten zu vergrößern, besteht die Alternative bei der herkömmlichen Isolierung darin, den nutzbaren Innenraum zu verringern. Derartige dickere Wände und verringerter Innenraum werden die Verbraucher nicht zufriedenstellen und auf Widerstand treffen.
Dünnere Isolierplatten, die den Isolierwirkungsgrad verbessern, würden diese Probleme lösen, jedoch sind ultradünne, hoch wirksame und langlebige Isolierplatten nicht leicht herzustellen. Vor der vorliegenden Erfindung hat jedes dieser Kriterien, d.h. ultradünn, hochwirksam und haltbar, wenigstens eines der anderen ausgeschlossen.
Es hat vor der vorliegenden Erfindung einige bemerkenswerte Versuche gegeben, den Isolierwirkungsgrad mit etwas dünneren Platten zu verbessern. So offenbart beispielsweise US-Patent Nr. 2,989,156, das F. Brooks et al. erteilt wurde, eine Isolierplatte, die einen luftleeren Raum zwischen Blechen umfaßt, wobei der luftleere Raum mit Perlitpulver gefüllt ist. US-Patent Nr. 3,151,365, das PS Glaser et al. erteilt wurde, stellt den Einsatz eines Gemischs aus feinen Rußpartikeln und anderen feinen Partikeln, die eine luftleere, umschlossene Struktur ausfüllen, Zwischenfolien-Strahlungsabschirmungen, sowie eine emissionsverringernde Beschichtung aus Silber dar. Bei dem US-Patent Nr. 3,179,549 von H. Strong et al., wird eine Matte aus sehr feinen, ausgerichteten Glasfasern eingesetzt, die in einer luftleeren geschweißten Metallumhüllung eingeschlossen sind. Das eingesetzte Vakuum beträgt lediglich 10&supmin;&sup4; Atmosphären (10&supmin;² Torr) und macht eine Fasermatte mit ausreichender Dichte und Dicke erforderlich, die für thermische Infrarotstrahlung undurchlässig ist. US-Patent Nr. 4,444,821, das J. Young et al. erteilt wurde, offenbart ebenfalls eine luftleere Platte, die mit einer Glasfasermatte ausgefüllt ist, wobei sich Kunststoff-Kantendichtungsstreifen sowie ein Getter-Material in der luftleeren Kammer befinden. Auch bei dieser Platte liegt lediglich ein Niedervakuum von ungefähr 10&supmin;² Torr vor. Bei dem US-Patent Nr. 4,486,482 von N. Kobayashi wird ebenfalls eine Glasfasermatte im Inneren einer Vakuumumhüllung eingesetzt, die aus geschweißten rostfreien Stahlblechen besteht. Diese Matte ist mit Glasfasern genäht, die senkrecht zur Ebene der Matte verlaufen und die Last des äußeren Atmosphärendrucks aufnehmen, die auf die Plattenwände wirkt, um zu verhindern, daß sie zusammengedrückt werden.
Ein Bericht unter dem Titel "Development and Testing of Vacuum Super Insulation for Use in Residential and Industrial Construction" (Entwicklung von und Versuche mit Vakuum-Superisolierung zum Einsatz beim Wohnungs- und Industriebau) von Kurt Reinhard von der Firma ERNO Space Technology Gmbh, Bremen (West-Deutschland) vom März 1977 beschreibt Ergebnisse von Versuchen mit vier flexiblen Vakuumisolierstrukturen, die jeweils einen luftleeren Raum, der mit einer Metallschicht (rostfreier Stahl) umhüllt war, sowie ein Vakuum von ungefähr 1 Torr bis 10&supmin;³ Torr aufwiesen. Dieser Bericht kommt zu dem Schluß, daß lediglich eine der vier Ausführungen Erfolg versprach, und die anderen ausschieden. Der Raum in dem ersten System, das ausschied, war mit abwechselnden Schichten aus Perlongaze und Aluminiumfolie gefüllt. Beim zweiten System, das dem Bericht zufolge einen gewissen Erfolg versprach, war der Raum mit unregelmäßigen Glasseidefasern gefüllt. Das dritte System, das ausschied, wies einige allgemeine Ähnlichkeiten mit verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung auf, einschließlich zweier beabstandeter Abdeckbleche mit gewellten Vertiefungen darin und starrer Abstandshalteblöcke zwischen den gewellten Blechen. Eine Vielzahl von Strahlungsschutzschichten war um die Abstandshalteblöcke herum angeordnet. Beim vierten System, das in dem Bericht ebenfalls ausschied, wurden die Schichten aus rostfreiem Stahl mit einer Vielzahl dünner, quer angeordneter, glänzender Wellbleche auseinandergehalten. Der Bericht kam zu den Schluß, daß das zweite, obenbeschriebene System, das dem Patent von H. Strong ähnelte, das einzige erfolgversprechende war. Die anderen, d.h. einschließlich des dritten und vierten Systems, die der vorliegenden Erfindung weitergehend ähneln, schieden als wertlos aus.
Zumindest einige der obenbeschriebenen Vakuumplatten nach dem Stand der Technik sind zweifellos wirksamer als herkömmliche Schaumstoff- und Glasfaser-Isolierplatten. Jedoch ist die Herstellung einer tatsächlich wirkungsvollen und langlebigen Isolierplatte nicht einfach und wird mit diesen Strukturen nach dem Stand der Technik nicht in dem Maße erreicht, das zur Erfüllung der obenbeschriebenen Bedürfnisse erforderlich ist. So lassen sich beispielsweise mit den Niedervakuen, die bei den Patenten nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, keine Isolierwirkungsgrade erreichen, die für den Einsatz in ultradünnen Platten hoch genug sind. Kunststoff oder Löt-Randdichtungen können ein Vakuum nicht über längere Zeit aufrechterhalten und sind gegenüber hohen Temperaturen oder Sonnenstrahlung nicht beständig, ohne daß es zu erheblicher Verschlechterung und Entgasung kommt. Metallumhüllungen mit Schweißnähten halten das erforderliche Vakuum aufrecht, es ist jedoch praktisch unmöglich, die vollständig dichten Schweißnähte herzustellen, die erforderlich sind, um Hochvakuen über viele Jahre aufrechtzuerhalten, wenn derartige Schweißnähte beim Vorhandensein der Milliarden mikroskopisch kleiner Glasfasern und Perlitteilchen ausgeführt werden müssen, die bei einigen der obenbeschriebenen Platten nach dem Stand der Technik eingesetzt werden. Ein einzelnes Teilchen oder eine einzelne Faser, die in den Schweißbereich eindringt, könnte eine mikroskopisch kleine undichte Stelle bewirken, die sehr schwer nachzuweisen wäre, jedoch die Lebensdauer des Vakuums im Inneren der abgedichteten Isolierplatte erheblich verkürzen und somit den Nutzen der Platte beeinträchtigen würde.
Der Einsatz eines Vakuums macht es erforderlich, daß im Inneren der Platte eine Struktur vorhanden ist, die ausreicht, um die einander gegenüberliegenden Plattenwände vor dem Zusammendrücken zu schützen. Die Glasfasermatten und Perlitpulver, die in einigen der obenbeschriebenen Platten nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, können diese Funktion erfüllen. Wenn jedoch Vakuen eingesetzt werden, nehmen die nach innen gerichteten Seitenwanddrücke erheblich zu, so daß diese Fasermatten und Pulver stark zusammengedrückt werden, wodurch direktere Wärmeleitwege durch die Isolierplatte hindurch entstehen, als dies wünschenswert ist. Des weiteren sollte die Isolierplatte, um leicht an einen großen Bereich von Einsatzgebieten angepaßt werden zu können, um Krümmungen gebogen werden können. Jedoch würde das Biegen der dickeren Platten nach dem Stand der Technik mit Sicherheit dazu führen, daß ein Wandblech in das andere geknickt bzw. gequetscht wird, so daß dort ein "thermischer Kurzschluß" entsteht, wo eine Wand bzw. ein Blech die bzw. das andere berührt. An jeder Biegestelle neigt das innere Blech in der Biegestelle dazu, geknickt zu werden, wenn sich das äußere Blech nicht strecken kann, da eine perfekte Krümmung bzw. Biegestelle am äußeren Blech einen längeren Bogen hätte als am inneren Blech. Dieses Problem würde sich bei dickeren Platten noch verstärken, bei denen der Bogen des äußeren Blechs an der Biegestelle einen erheblich größeren Radius hat als der Bogen des inneren Blechs an der Biegestelle. Auch wenn Glasfasermatten derartiger Platten nach dem Stand der Technik wie beim Patent von H. Strong oder dem zweiten System des Berichts von K. Reinhard die beiden einander gegenüberliegenden Bleche auseinanderhielten, würde eine derartige Matte selbst an der Krümmung bzw. Biegestelle zusammengedrückt, so daß sie praktisch selbst den thermischen Kurzschluß erzeugen würde.
Mit dem laserverschließbaren Vakuum-Isolierfenster, das von David K. Benson, einem der Miterfinder der vorliegenden Erfindung, und C. Edwin Tracy erfunden wurde (jetzt US-Patent Nr. 4,683,154) wurde das Problem der Langzeitabdichtung und der strukturellen Abstützung zum Schutz vor Zusammendrücken oder thermischem Kurzschluß gelöst, indem Glasabstandshaltewülste zwischen zwei Glasscheiben lasergeschweißt wurden. Jedoch ist die Struktur recht dick, schwer und zerbrechlich, da sie aus Glas besteht, und sie ist starr, so daß sie nicht um Krümmungen gebogen werden kann. Daher ist sie, obwohl sie eine hochwirksame Isolierplatte darstellt, nur beschränkt einsetzbar.
US-A-3 152 033 offenbart eine Isolierbaugruppe zum Einsatz in einer Vakuumplatte, die zwei Metallfolienschichten umfaßt, die mit einer Kunststoffträgertafel dazwischen eng beabstandet sind, die eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die sich in einander entgegengesetzten Richtungen von einander gegenüberliegenden Flächen der Trägerschicht quer nach außen erstrekken.
Aus WO89/09860 ist eine kompakte Vakuum-Isolierplatte bekannt, die zwei Hartmetall-Wandbleche aufweist, die eng beabstandet und um die Ränder herum verschweißt sind, so daß eine Vakuumkammer eingeschlossen ist. Glas- oder Keramikabstandshalter halten die Wandbleche auseinander. Die Abstandshalter können einzelne kugelförmige Wülste oder aus einem Stück bestehende Glasscheiben oder Keramikbahnen sein, die mit Kugeln im wesentlichen Punkt- oder Linienkontakte mit den Blechen bewirken.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte ultradünne Isolierplatte zu schaffen.
Die obenstehende Aufgabe wird mit dem Gegenstand von Anspruch 1 erfüllt. Bevorzugte Ausführungen und weitere Verbesserungen der erfindungsgemäßen Thermo-Isolierplatte sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Patentbeschreibung integriert sind und einen Teil derselben bilden, stellen eine Ausführung der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Erfindung. In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Abstandshalters in Form einer Tafel aus emaillierter Stahlfolie mit sich abwechselnd nach oben und nach unten erstreckenden Beulen;
Fig. 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Isolierplatte, bei der die Tafel des emaillierten Stahlfolieabstandshalters in Fig. 1 eingesetzt wird;
Fig. 3 eine auseinandergezogene Teilansicht einer Platte, die gemäß einer anderen Ausführung aufgebaut ist, wobei zwei Wellenbahnen aus emaillierter Stahlfolie als Abstandshalter eingesetzt werden.
Die grundlegende ultradünne Isolierplatte 300 gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt zwei äußere Bleche bzw. Wände, die eng beabstandet sind. Die Nähte um die Ränder der Platte herum, an der die beiden äußeren Bleche bzw. Wände aufeinandertreffen, sind abgedichtet. Die Abdichtung 18 sollte eine Metall-Metall-Verbindung, wie beispielsweise eine Schweißnaht, sein, obwohl auch andere Metall-Metall-Verbindungen, die beispielsweise durch Hartlöten, Löten, Diffusionsverbinden und dergleichen, hergestellt werden, eingesetzt werden können. Daher wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung der Begriff "Schweißnaht" als alle derartigen Metall-Metall-Abdichtungen oder Äquivalente derselben einschließend benutzt.
Die von den äußeren Blechen bzw. Wänden umschlossene Innenkammer wird auf ein Hochvakuum im Bereich von wenigstens 10&supmin;&sup5; Torr, und vorzugsweise im Bereich von 10&supmin;&sup6; Torr, ausgepumpt. Um dieses Hochvakuum über viele Jahre aufrechtzuerhalten, müssen die Randnähte nahezu vollkommen lecksicher abgedichtet werden.
Wenn die Kammer wie oben beschrieben luftleer gemacht wird, würde der atmosphärische Druck an der Außenseite der Wandbleche die Wandbleche normalerweise zusammendrücken, so daß ein direkter thermischer Leitweg bzw. ein "thermischer Kurzschluß" von einer Wand zur anderen über die Platte entsteht. Um dieses Zusammendrücken zu verhindern, wird ein Abstandshalter in der Kammer angeordnet, um die beiden Wandbleche auseinanderzuhalten und die thermische Leitfähigkeit auf ein Minimum zu verringern.
Die Metallwandbleche bestehen vorzugsweise aus einem Metall mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, so beispielsweise rostfreiem Stahl oder Titan, die beide im Vakuum leicht verschweißt werden können und ausreichend hart bzw. starr sind, so daß sie sich nicht um den Abstandshalter herum formen und dennoch biegbar genug sind, so daß die Platte in Krümmungen geformt werden kann. Zu weiteren geeigneten Metallen für die Wandbleche können beispielsweise Kohlenstoffstähle, beschichtete Kohlenstoffstähle, Legierungen und dergleichen gehören. Bevorzugte Formen für den Abstandshalter sind die, die nahezu Punktkontakt mit den Seitenwänden erzeugen, so daß die Wärmeübertragung zwischen dem Abstandshalter und den Seitenwänden auf ein Minimum verringert wird.
Die Größe des Vakuums und seine Abstimmung auf die Breite der Vakuumkammer sind wichtig. Niedervakuen im Bereich von 10&supmin;&sup7; Atmosphären (10&supmin;&sup4; Torr) reichen nicht aus, um wirkungsvoll zum Wärmeübertragungswiderstand bzw. der Isolierwirkung der Platte beizutragen. Bei ultradünnen, stark isolierenden Platten, wie sie die vorliegende Erfindung vorsieht, entspricht in einem Vakuum von ungefähr 10&supmin;&sup4; Torr die mittlere freie Weglänge eines Moleküls zwischen Kollisionen mit anderen Molekülen dem Abstand zwischen den beiden Wandflächen. Um nicht nur ein Vauum zu nutzen, sondern auch die positiven Auswirkungen eines Vakuum bei dieser Isolieranwendung zu maximieren, ist es erforderlich, ein Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10&supmin;&sup6; Torr oder niedriger aufrechtzuerhalten.
Glas weist eine hohe Druckfestigkeit und mechanische Steifigkeit auf, ist kostengünstig und bei der Herstellung leicht zu handhaben. Daher wird der erfindungsgemäße Abstandshalter vorzugsweise aus Glas hergestellt. Da Glas, emailliertes Metall und Keramik sämtlich einige einzigartige Eigenschaften aufweisen, werden sie für den Zweck der vorliegenden Erfindung als innerhalb eines Äquivalenzumfangs liegend angesehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Abstandshalter eine dünne starre Trägertafel mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, die sich in einander entgegengesetzten Richtungen von einander gegenüberliegenden Flächen des Trägers quer nach außen erstrecken. Der Abstandshalter ist mit einem Metall niedriger Wärmeleitfähigkeit beschichtet.
Eine fortlaufende Tafel aus geformter, emaillierter Metallfohe 310 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, als Abstandshalter vorgesehen sein. Damit sich die emaillierte Metalltafel 310 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung als Abstandshalter eignet, kann sie speziell geformt sein, so daß sie obere Ausbauchungen bzw. Beulen 316 und untere Ausbauchungen bzw. Beulen 318 aufweist, die sich vom Hauptkörper bzw. der Bahn von Tafel 310 nach außen erstrecken. Diese Ausbauchungen bzw. Beulen 316, 318 dienen der mechanischen Abstützung und verhindern das Zusammendrücken der Bleche 12 und 14 beim Vorhandensein eines Hochvakuums, wie dies in Fig. 2 zu sehen ist.
Tafel 310 kann aus einer einzelnen dünnen Tafel aus einem Stahlträger 302 bestehen, und auf beiden Seiten mit Emaille 304 beschichtet sein. Emaille 304 ist im wesentlichen ein Glas, das so formuliert ist, daß es eine dem Strahlträger 302 kompatible Wärmeausdehnung aufweist, und es ist fest mit dem Stahlträger 302 verbunden, so daß eine harte, glatte Oberfläche mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit entsteht. Emaillierter Stahl weist in Massenherstellungsverfahren, wie sie in der Industrie bekannt sind, des weiteren einen hohen Durchsatz auf. Dementsprechend kann die emaillierte Tafel 310 als emaillierte Stahlfolie hergestellt werden, die den Emailleplatten gleicht bzw. ähnelt, die zur Verkleidung üblicher Haushaltsküchengeräte, wie beispielsweise Herde und Kühlschränke, eingesetzt wird, wobei sie jedoch für die Zwecke der vorliegenden Erfindung erheblich dünner ist. Natürlich können andere glasartige Materialien, wie beispielsweise Siliciumdioxid oder auch keramische Stoffe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit statt Ernaille oder zusätzlich dazu als das Beschichtungsmaterial eingesetzt werden.
Abstandshaltetafel 310 kann des weiteren in mehreren anderen möglichen Formen ausgebildet sein, um den Abstand und die erforderliche Festigkeit zu gewährleisten, durch die die Wände 12 und 14 auseinandergehalten werden. So kann Abstandshaltetafel 310 beispielsweise mit länglichen Stegen versehen sein, die sich von einem Hauptkörper nach außen erstrecken. Desgleichen können diese Emailletafeln auch als gewellte Tafeln 320, 322 ausgebildet sein, wie sie in Fig. 3 zu sehen sind. Die Tafeln 320, 322 können gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung entweder einzeln oder in Kombination miteinander als Abstandshalter eingesetzt werden, wobei ihre Wellenstege senkrecht zueinander verlaufen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Tafeln 320, 322 können aus der gleichen emaillierten Stahlfolie bestehen, wie sie oben beschrieben wurde.
Die optische Wärmeisolierung bei der vorliegenden Erfindung kann verbessert werden, indem Beschichtungen mit niedrigem Emissionsvermögen aus Kupfer, Silber oder anderem Material mit niedrigem Emissionsvermögen vorzugsweise an den Innenflächen der Seitenwände 12, 14 integriert werden. Obwohl diese Beschichtung mit niedrigem Emissionsvermögen nicht dargestellt ist, kann sie bei allen Ausführungen einschließlich der obenbeschriebenen emaillierten Oberflächen gleichermaßen eingesetzt werden.
Ein Metall-Getter kann ebenfalls vor dem Auspumpen und Abdichten der Kammer in der Kammer jeder der obenbeschriebenen Plattenisolierausführungen angebracht werden. Der Metall-Getter schließt jede auftretende kleine Menge reaktiven Gases ein, das von Glaswülsten oder Metallwänden während der langjährigen Lebensdauer möglicherweise desorbiert wird.
Zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung ist zu sagen, daß die ultradünnen Isolierplatten 300 gemäß der vorliegenden Erfindung sehr effektiv hergestellt werden können und in einer Gesamtdicke im Bereich von ungefähr 2,5 mm (0,1 Inch) eingesetzt werden können. Die Dicke der dünnen Metallwandbieche 12, 14 kann vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,3 mm (0,005 bis 0,010 Inch) oder möglicherweise auch von 0,1 bis 0,6 mm (0,004 bis 0,025 Inch) liegen, und die Abstandshalter können ungefähr 2 mm (0,08 Inch) messen. Die Festphasen- Leitung wird durch den Einsatz von Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Glas, als mechanische Seitenwandstützen bzw. Abstandshalter und durch den Einsatz von nahezu "Punkt"-Kontakten zwischen den Stützen und den Wandblechen auf ein Minimum verringert, wie dies oben in bezug auf die dargestellten speziellen Strukturen und Ausführungen beschrieben ist. Eine Isolierpiatte mit einer Dicke von 2,5 mm (0,1 Inch), wie sie oben beschrieben ist, kann einen Isolierwert bis zu R15, d.h. 2,64 W/m²K (R = 15ºF - hr. ft²/BTU) haben und widersteht der Wärmeübertragung so gut wie ein 63 mm (2 1/2 Inch) dicker Abschnitt aus Polymerschaumstoff oder nahezu 175 mm (sieben Inch) Glasfaser mit Standarddichte.
Zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung soll die folgende Erläuterung die Vorteile der ultradünnen Kompakt- Vakuum-Isolier(Compakt Vakuum Insulation - CVI)-Ausführungen der vorliegenden Erfindung anhand solcher Aspekte wie Kompaktheit, effektiver Arbeitstemperaturen, leichten Gewichtes, und verringerten Einsatzes von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) darstellen.
Auf vielen Anwendungsgebieten wird großer Wert auf das Volumen gelegt, und ein Hochleistungs-Isoliermaterial, das weniger Volumen einnimmt, ist daher von größerem Wert. Ein Hinweis auf diese Einsatzgebiete ist der zunehmende Ersatz von teueren Schaumstofferzeugnissen mit U-Werten von 1,1 bis 0,6 W/m²K pro 25 mm (R-Werte von 5 bis 10 pro Inch) oder anderen ausgefallenen Isolierungen durch weniger teuere Mengenisolierungen, wie beispielsweise Glasfaser, Mineralwolle und Zellulose, mit U-Werten von 2,8 bis 1,4 W/m²K pro 25 mm (R-Werte von 2 bis 4 pro Inch). Zu diesen Einsatzgebieten gehören beispielsweise: Kühlschränke, Gefrierschränke, Kühlregale für Kühlerzeugnisse wie beispielsweise Fleisch, Lebensmittel, Blumen und alkohohsche Getränke, Mehrzweck-Kühltransportbehälter; Lkw-Kühlanhänger, Tank- und Eisenbahnwagen; Dampf- sowie Heiß- und Kaltwasserrohre und Speichereinrichtungen; Zentralheizungen und Kühlrohre sowie andere Transportwege; Heiß- und Kaltspeichertanks oder -behälter für industrielle Verfahren; Heiß- und Kaltanlagen für industrielle Verfahren; Auto-, Zug-, Flugzeug- und Schiffsverkleidungen; HVAC-Einrichtungen und -Leitungen für Gebäude; Dächer, Wände und Böden von Gebäuden; gekühlte Computerschaltungen und -bauelemente; Tages- und Jahreszyklus- Speicherbehälter; tragbare Heiß- und Kalt-Aufbewahrungs-und- Transportbehälter; Straßen- und Brückenfahrbahnen; Schutzkleidung, wie beispielsweise Stiefel, Hüte und Mäntel; Wärmeisolierung von wärmeerzeugenden Computerbauteilen und andere Vorgänge; und Aufrechterhaltung der Temperatur von Hochtemperaturprozessen, so beispielsweise bei der Verbrennung, Natrium- Schwefel-Batterien und Wärmehaltedieseln (heat-retention diesels).
Die ultradünnen CVI-Isolierplatten gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben sind, weisen bei Tieftemperaturverfahren, dem Transport und bei der Lagerung die gleiche Wirksamkeit auf, wie die dickere, kompliziertere Kryopump-Isolierung nach dem Stand der Technik, bei der eine geschichtete Mehrfachfolienisolierung kontinuierlich durch Wärmeabsorption durch das außerordentlich kalte Material selbst vakuumgepumpt wird. Da jedoch die ultradünnen CVI-Isolierplatten und -Leitungen der vorliegenden Erfindung nicht auf dem Kryopumpen zur Aufrechterhaltung ihres Isolierwirkungsgrades beruhen, ist eine derartige Energiezufuhr bzw. -verschwendung nicht erforderlich. Des weiteren ist im Unterschied dazu die Isolierung gemäß der vorliegenden Erfindung gleich wirkungsvoll beim Umgebungs- und Hochtemperatureinsatz und beim Tieftemperatureinsatz, während Kryopump-Isolierung nur bei außerordentlich niedrigen Temperaturen funktioniert, und die ultradünne CVI der vorliegenden Erfindung ist weitaus weniger voluminös und flexibler als Kryopump-Isolierung.
Im Zusammenhang mit diesem Tieftemperatureinsatz stehen Hochtemperatur-Supraleiter. Solange Supraleitfähigkeit nur bei Tieftemperaturen auftrat, wurde die Supraleitübertragung von Elektrizität mit Schaltungen durchgeführt, die das Kryopumpen ihrer Mehrfachfolien-Isolierummantelungen ausführten. Dieser Energieverbrauch aufgrund des Kryopumpens der Isolierung konnte beim Kryopumpen von großen Längen von Supraleiterstromkreisen erheblich sein. Dieser Energieverbrauch ließe sich mit der ultradünnen CVI-Isolierung der vorliegenden Erfindung vermeiden, wie dies oben erläutert wurde. Gleich wichtig ist jedoch die derzeitige Entwicklung von Supraleitern, die oberhalb von Tieftemperaturen arbeiten und dennoch wirkungsvoll isoliert werden müssen. Da bei höheren Temperaturen kein Kryopumpen auftritt, kann die ultradünne CVI-Isolierung der vorliegenden Erfindung die einzig zur Verfügung stehende, praktische und kompakte Isolieralternative darstellen.
Zu den Vorteilen des vergleichsweise geringeren Gewichtes der Ausführungen der vorliegenden Erfindung gegenüber Isoliermatenahen und -verfahren nach dem Stand der Technik gehören: es können leichtere und kostengünstigere Maschinen für die Herstellung und den Transport eingesetzt werden, es können leichtere Befestigungselemente zur Anbringung an anderen Strukturen eingesetzt werden, es können leichtere Strukturen zum Halten der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, und weniger Kraftstoff und Aufwand ist erforderlich, um die Ausführungen, Befestigungselemente und, falls erforderlich, dazugehörende Strukturen zu transportieren, an denen sie angebracht ist oder auf der sie aufliegt.
Als weiteres Beispiel werden vorhandene und mögliche Isoliererzeugnisse mit einer Ausführung der vorliegenden CVI-Erfindung zum Einsatz in einem Kühlschrank/Gefrierschrank (refrigerator/freezer - RIF) in der folgenden Tabelle verglichen:
Ein weiterer Vorteil der weiterentwickelten Isolierung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus den zunehmenden Beweisen dafür, daß ein chemischer Bestandteil der besten, preisgünstigsten Isolierungen, die gegenwärtig erhältlich sind, d.h. der Polymerschaumstoffe, die schützende Ozonschicht der Erde zerstört. Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die eingesetzt werden, um den Schaum "aufzublasen" (bzw. auszudehnen), treten mit der Zeit aus dem Schaumstoff aus und steigen in die Stratosphäre auf, wo sie mit einer Lebensdauer von 50 Jahren als Katalysator bei der Zerstörung des 50.000- fachen ihrer Masse an Ozon wirken.
Neben der Tatsache, daß die vorliegende Erfindung auf vielen Gebieten ein direkter Ersatz für mit FCKW verschäumte Materialien ist, läßt sie sich aufgrund ihrer weiteren Eigenschaften, wie geringes Gewicht, Kompaktheit, Nichtbrennbarkeit, Ungiftigkeit, Kostengünstigkeit usw., vorteilhaft zur Erhöhung der R-Werte einsetzen, die gegenwärtig in Geräten und auf anderen Einsatzgebieten, sowie den hier vorgeschlagenen verwendet werden. In den vielen Fällen, in denen die Wärmeummantelung Räume mit Erzeugnissen umschließt, die mit Standard-Verdichterkälteanlagen mit FCKW-Arbeitsfluid oder -Kühlmittel gekühlt werden, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verkleinerung der Verdichterkälteanlage sowie eine daraus resultierende Verringerung der Menge von FCKW-Kühlmittel sowie der Energie, die benötigt wird, um die gewünschten Kühltemperaturen in den eingeschlossenen Räumen zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Mit der Verringerung von FCKW in Verdichteranlagen zusammen mit dem Ersatz von FCKW emittierenden Materialien durch CVI als Isolierung, können Kühlanlagen und andere FCKW- Isolierverfahren als Hauptquelle der FCKW-Emission eliminiert werden.
Eine Hauptquelle der FCKW-Emission ist die Bauindustrie, wo FCKW-Schaumstoff eingesetzt wird, um Betonmauerwerkblöcke zu füllen und somit die Bauenergievorschrift ASHAE 90.1P (ASHAE 90.1P Building Energy Standards) zu erfüllen. 10 Jahre Forschung haben bisher keinen Betonmauerwerkblock mit einem U-Wert von 0,6 W/m²K (einem R-Wert von 10) hervorgebracht. Da ein R-10-Betonmauerwerkblock nicht vorhanden war, ist der Isolierwirkungsgrad dieser Baublöcke mit FCKW-Schaumstoff aufgebessert worden. Jedoch würde angesichts der Umweltschäden, die durch die FCKW-Emission entstehen, wie sie oben beschrieben wurden, die vorliegende Erfindung einen sehr wirkungsvollen direkten Ersatz für FCKW-Isolierschaumstoffe in der Bauindustrie darstellen. Die ultradünnen CVI-Isolierplatten der vorliegenden Erfindung könnten an existierenden Blöcken angebracht werden, in neue Blockkonstruktionen integriert werden, oder in die Trennwände zwischen den Außen- und Innen-Blockwänden eingefügt werden.
Ein weiterer Vorteil der ultradünnen CVI-Isolierplatten der vorliegenden Erfindung besteht in ihrem Einsatz als Kraftfahrzeug-Batteriegehäuse. Die zur Verfügung stehende Energie von Batterien nimmt mit sinkenden Temperaturen ab. Daher verbessern isolierte Kraftfahrzeugbatterien mit ultradünnen CVI-Isolierplatten die Beständigkeit und Lebensdauer der Batterien erheblich. Des weiteren ermöglichen die CVI-Isolierplatten durch ihr geringes Gewicht, die Kompaktheit und die geringen Kosten eine wirkungsvolle Isolierung von Kraftfahrzeugbatterien, ohne daß die Größe, das Gewicht oder die Kosten gegenüber gegenwärtig eingesetzten Batterien erheblich zunehmen. Diese ultradünnen CVI-Platten könnten an vorhandenen Batteriegehäusen angebracht werden, zu einer Batteriehülle geformt oder in neue Batteriegehäusematerialien integriert werden.
Die obenstehende Beschreibung ist lediglich als die Prinzipien der Erfindung veranschaulichend zu betrachten. Des weiteren ist, da zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen für den Fachmann auf der Hand liegen, nicht beabsichtigt, die Erfindung auf den genauen Aufbau und die Verfahren, wie sie oben dargestellt und beschrieben sind, zu beschränken. Dementsprechend kann auf alle geeigneten Abwandlungen und Äquivalente zurückgegriffen werden, die in den Umfang der Erfindung fallen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Wärmeisolierplatte (300), die zwei aus einem harten Metall bestehende Seitenwände (12,14) umfaßt, die eng voneinander beabstandet angeordnet und um ihre Ränder (18) herum verschweißt sind, so daß eine Vakuumkammer dazwischen eingeschlossen ist, wobei die Kammer luftleer ist, und einen aus einem Stück bestehenden Abstandshalter (310,320,322), der in der Kammer zwischen den beiden Seitenwänden angeordnet ist und die beiden Seitenwände auseinanderhält, dadurch gekennzeichnet, daß

der Abstandshalter (310,320,322) eine dünne steife Trägertafel (302) umfaßt, die eine Vielzahl von Vorsprüngen (316,18) aufweist, die sich in entgegengesetzten Richtungen von einander gegenüberliegenden Flächen der Trägertafel quer nach außen erstrecken, wobei der Abstandshalter mit einem Material (304) niedriger Wärmeleitfähigkeit beschichtet ist.

2. Wärmeisolierpiatte nach Anspruch 1, wobei die Trägertafel (302) gewellt (320,322) ist, so daß die Vorsprünge als längliche, parallele, einander abwechselnde Täler und Grate ausgebildet sind.

3. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 1, wobei das Material (304) niedriger Wärmeleitfähigkeit ein glasartiges Material ist.

4. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 3, wobei das glasartige Material Emaille umfaßt.

5. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 3, wobei das Glasmaterial Siliciumdioxid umfaßt.

6. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 3, wobei das Glasmaterial ein Keramikmaterial umfaßt.

7. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 1, wobei die Trägertafel (302) im wesentlichen vollständig mit der Materialschicht niedriger Wärmeleitfähigkeit beschichtet ist.

8. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 7, wobei die Trägertafel (302) aus starrem Metall besteht.

9. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 8, wobei die Vorsprünge Verformungen der Trägertafel sind.

10. Wärmeisolierplatte nach Anspruch 9, wobei die Verformungen in der Trägertafel die Form von Beulen (316) auf einer Seite der Trägertafel und entsprechender Vertiefungen auf der gegenüberliegenden Seite der Trägertafel haben.