DE69131342T2 - Isolierplatte mit hohen r-wert - Google Patents

Isolierplatte mit hohen r-wert

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Description

  • Die Erfindung betrifft Isoliererzeugnisse, die für isolierende Geräte, Transportfahrzeuge und industrielle Anlagen geeignet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Isoliererzeugnisse mit sehr hohem Widerstand gegenüber thermischer Leitfähigkeit, um mit einem minimalen Isoliererzeugnis gute Isoliereigenschaften zu erreichen.
  • Traditionelle Isoliermaterialien für Geräte, Transportfahrzeuge und industrielle Anlagen umfassen Mineralfasern und geschäumte Materialien. Zur Isolation von Kühlgeräten, Gefriergeräten oder Wassererhitzern kann eine Mineralfaserisolation einen R-Wert von etwa 4 R pro Zoll erreichen, wobei ein R-Wert einem HrFt2ºF/Btu (0,176 m²K/Watt) entspricht. Geschäumte Materialien mit chlorierten Fluorkohlenstoffen in den Schaumzellen können einen R-Wert von 8 R pro Zoll (3,15 R pro cm) erreichen. Aufgrund von Bestrebungen, Fluorkohlenstoffe aus der Umwelt zu entfernen und zum Energiesparen effizientere Isolationserzeugnisse herzustellen, streben die Hersteller von Geräten, Transporteinrichtungen und industriellen Anlagen effizientere Isoliererzeugnisse an. Eine mögliche Lösung liegt darin, lediglich die Dicke des Isoliererzeugnisses zu erhöhen, wodurch der gesamte R-Wert erhöht wird. Dies ist jedoch eine unerwünschte Lösung, weil sie den isolierten Gegenstand ziemlich klobig macht.
  • Um ein sehr effizientes Isoliererzeugnis ("Superisolation") zu erhalten, wurden einige aufwendige Isolationssysteme entwickelt. Einige dieser Systeme sind für Weltraumanwendungen für die NASA und andere staatliche Organisationen entwickelt worden.
  • Eines der bekannten Superisolationserzeugnisse besteht aus feinunterteiltem anorganischen Partikelmaterial, das in eine brettartige Struktur gepreßt und eingekapselt ist, um das Material zusammenzuhalten. Das Material ähnelt einem mehlartigen Pulver. Vorwiegend wird für das Material Siliciumdioxid oder dessen Formen, insbesondere Quarzstaub oder Kieselhydrogel verwendet. Das Material weist vorzugsweise eine amorphe anstelle einer kristallinen Struktur auf. Es ist bekannt, daß diese Erzeugnisse in Bretter mit einem R-Wert von 15 R pro Zoll (5,9 R pro cm) bei einer mittleren Temperatur von 75ºF (23,9ºC) und einer Temperaturtriebkraft von 40ºF (4,5ºC) komprimiert werden können. Das Partikelmaterial ist sehr wirksam, die Gasleitfähigkeitskomponente der Wärmeleitfähigkeit zu stoppen, jedoch nicht so gut wirksam, die Strahlungskomponente der Wärmeleitfähigkeit zu unterbinden. Wenn ferner das Vakuum verstärkt wird (d. h. bei niedrigem Manometerdruck), wird das Partikelmaterial mehr komprimiert, wodurch ein starker Teilchen-zu-Teilchen-Kontakt und ein besserer Weg für die feste Wärmeleitfähigkeit entsteht. Daher wird ein oberer Grenzwert für den R-Wert erreicht, der von der beträchtlichen festen Wärmeleitfähigkeit des kompaktierten Partikelmaterials abhängt. Eine weitere Erhöhung des Vakuums verbessert den R-Wert von Isolationen aus vollständigem Partikelmaterial aufgrund der festen Leitfähigkeit nicht. Außerdem sind nicht undurchsichtig gemachte Pulver bei dem Abblocken von Strahlungswärmeübermittlung relativ ineffizient.
  • Ein anderes hochentwickeltes Superisolationsprodukt beinhaltet Schichten aus hochreflektivem Material, um die Strahlungskomponente der Wärmeleitfähigkeit zu stoppen. Die reflektierenden Schichten sind typischerweise Folien und diese müssen durch thermisch effiziente Platzhalter wie beispielsweise dünne Glasfasermatten oder Glasperlen auf Abstand zueinander gehalten werden. Das Erzeugnis muß eingekapselt und evakuiert werden, um die Gas-Wärmeleitfähigkeit zu unterbinden. Die Nachteile dieser Foliensysteme bestehen darin, daß die Folien schwer verarbeitbar sind und das Produkt hohe Materialkosten aufweist. Außerdem wohnt jedem evakuierten Isolationssystem das Problem inne, daß es auf den Seiten der Platte dem Atmosphärendruck standhalten muß. Je größer das Vakuum ist, desto größer ist der von außerhalb der Platte erzeugte Druck. Die dünnen Folienschichten sind auch dann, wenn sie von Platzhaltern getrennt gehalten werden, aufgrund des Atmosphärendrucks einer Verformung ausgesetzt. Falls Folienschichten einander berühren, ergibt sich ein Weg fester thermischer Leitfähigkeit, wodurch eine Wärmebrücke entsteht.
  • Ein weiteres Isoliererzeugnis ist das in EP-A-104 511 beschriebene, das angeblich für Isolationen bei kleinem Volumen und hoher Temperatur (≥ 350ºC) geeignet und eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen sehr niedrigen Kompressionswiderstand aufweisen soll. Dieses Isoliererzeugnis ist aus einer großen Zahl gestapelter, folienartiger Isolierschichten aufgebaut, die aus komprimierten oder kompaktierten Borsilikatglasfasern gemischt mit 5 bis 60 Gew.-% nichtmetallischem Pulver oder Fasern, die kleiner als 10 um sind und wärmeabsorbierende bzw. strahlungsstreuende Eigenschaften aufweisen, gebildet.
  • Ersichtlicherweise fehlen den Isoliererzeugnissen des Stands der Technik viele erwünschte Eigenschaften eines idealen Erzeugnisses. Diese Eigenschaften beinhalten einen Widerstand gegen Kompressierbarkeit, einfache Herstellung, relativ niedrige Materialkostert, Vermeidung eines großen Vakuums und das Beibehalten eines R-Werts über eine lange Lebenszeit des Erzeugnisses.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist nun eine Isolierplatte vorgesehen, die aus einem Mineralfaserbrett einer Dichte zwischen 128 und 449 kg/m³ (zwischen 8 und 28 Pfund pro Kubikfuß), wobei auf die Fasern kein organisches Bindemittel aufgebracht ist, und zu 5 bis 40 Gew.-% aus einem Partikelmaterial in den Zwischenräumen des Bretts besteht, wobei die Fasern einen Durchmesser zwischen 1 und 25 um aufweisen und das Partikelmaterial eine Oberfläche von mindestens 50 m²/g aufweist.
  • Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Isoliererzeugnis vorgesehen, das eine solche Isolierplatte beinhaltet, die in einer gasdichten Umhüllung eingeschlossen ist, die ihrerseits teilweise evakuiert ist.
  • Bei den oben angegebenen Dichten liefern die Mineralfasern gute Schranken gegenüber Strahlungs-Wärmeenergieüber tragung. Das Partikelmaterial stellt eine gute Schranke gegenüber Wärmeübertragung durch Gasleitung dar. Die gesamte Struktur ist gegenüber Kompression ausreichend widerstandsfähig, so daß eine gute Struktur für den Druck der Atmosphäre geliefert wird, wenn die Platte unter Bildung eines Isoliererzeugnisses umhüllt und evakuiert wird. Die Materialien sind relativ einfach zu verarbeiten und aus ihnen können auf einfache Weise die Platte und das Erzeugnis der Erfindung gebildet werden. Außerdem sind die Materialien relativ preiswert. Schließlich sollte das Isoliererzeugnis der Erfindung über eine lange Lebensdauer mit konstantem R-Wert stabil sein.
  • In der Isolierplatte der Erfindung weist das Partikelmaterial eine Oberfläche von mindestens 50 m²/g auf. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein amorphes Silikapulver.
  • In einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Platte von einer gasdichten Umhüllung umschlossen, die eine Metallfolie einer Dicke zwischen 0,5 mil und 4 mil (zwischen 0,0127 mm und 0,102 mm) aufweist. Die Umhüllung ist vorzugsweise auf ein Vakuum zwischen 10&supmin;&sup4; Torr und 10 Torr (0,013 und 1300 Pa) evakuiert.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt
  • Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Isoliererzeugnisses der Erfindung,
  • Fig. 2 eine schematische vergrößerte Darstellung von Glasfasern und amorphen Silikateilchen nach der Erfindung,
  • Fig. 3 ein Kühl/Gefriergerät mit den Isoliererzeugnissen der Erfindung schematisch im Querschnitt, und
  • Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines Herstellungsverfahrens zur Produktion des Isoliererzeugnisses der Erfindung.
  • Die Erfindung wird nun anhand einer Isolierplatte mit Glasfasern als Mineralfasern beschrieben. Selbstverständlich können bei der Erfindung auch andere Mineralfasern wie Fasern aus Stein, Schlacke oder Basalt verwendet werden.
  • Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Isoliererzeugnis 10 aus einer Platte 12 und einer Umhüllung 14 besteht. Die Umhüllung kann jedes Material aufweisen, das zum Umschließen oder Einkapseln der Platte geeignet ist. Vorzugsweise weist das Material eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf und ist gegenüber Gasen undurchlässig, um ein gewünschtes Vakuum aufrechtzuerhalten. Solche Umhüllungen sind dem Fachmann bekannt. Eine typische Umhüllung besteht aus einer dünnen Schicht Metallfolie. Vorzugsweise weist die gasdichte Metallfolienumhüllung eine Dicke zwischen 0,5 mil und 4 mil (zwischen 0,0127 mm und 0,102 mm) auf.
  • Wenn innerhalb des Isoliererzeugnisses ein Vakuum anliegt, ist es bevorzugt, ein Gettermaterial in der Umhüllung anzuordnen, um jedwede innerhalb der Umhüllung vorhandenen Gase niedrigen Molekulargewichts zu adsorbieren. Solche Gettermaterialien sind dem Fachmann bekannt.
  • Die Platte 12 ist hauptsächlich aus Glasfasern hergestellt, vorzugsweise aus Fasern mit einem Durchmesser zwischen 1 und 25 um und insbesondere mit einem Durchmesser zwischen 3 und 12 um. Die Dichte des Glasfaserbretts ohne jedwedes zugesetztes Partikelmaterial liegt zwischen 8 und 28 pcf (zwischen 128 und 449 kg/m³). Vorzugsweise liegt die Dichte zwischen 12 und 20 pcf (zwischen 192 und 320 kg/m³).
  • Wie in Fig. 2 gezeigt sind in die Zwischenräume der Fasern 18 des Bretts amorphe Silikateilchen 16 gepackt. Die Fasern sind in Fig. 2 schematisch dargestellt und sind im Verhältnis viel kürzer gezeigt als sie in Wirklichkeit wären.
  • Das Partikelmaterial kann aus irgendeiner Anzahl an Materialien bestehen, die für die Erfindung geeignet sind, beispielsweise amorphem Silika, Quarzstaub, Quarzglas und Graphit. Das Partikelmaterial weist ein großes Oberflächen/Gewichtsverhältnis von mindestens 50 m²/g, vorzugsweise mindestens 150 m²/g und insbesondere vorzugsweise mindestens 400 m²/g auf. Die bevorzugte Prüfung zur Messung der Oberfläche pro Gewichtseinheit des Partikelmaterials ist der BET- Test (nach Brown, Emit & Teller) nach ASTM Specification Technical Bulletin No. 51, 1941, pp. 95.
  • Bei Dichten, bei denen das Glasfaserbrett der Erfindung normalerweise verwendet wird (zwischen 8 und 28 pcf bzw. zwischen 128 und 449 kg/m³), zeigt eine mikroskopische Ansicht der Fasern große Räume oder Lücken in den Zwischenräumen zwischen den Fasern. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. In diesen Räumen sind die Silikateilchen angeordnet. Diese Teilchen sind in die Zwischenräume des Brettes gepackt, d. h. sie sind zwischen und auf den Glasfasern angeordnet. Es ist besonders wünschenswert, daß die Glasfasern sauber sind und kein Bindemittel beinhalten, insbesondere kein organisches Bindemittel, so daß unter Vakuumbedingungen keine Gasbildung eines organischen Materials stattfindet, wodurch sich innerhalb des Vakuums der Umhüllung leitfähige Gase bilden. Eines der überraschenden Ergebnisse der Erfindung liegt darin, daß die Silikateilchen selbst als eine Art Bindemittel wirken, die die Glasfasern in einer brettartigen Struktur in einer Art und Weise zusammenhalten, die in der Technik völlig unerwartet war. Die Silikateilchen wirken in Kontakt mit den Glasfasern offensichtlich als Bindemittel, weil das Brett mit den in den Zwischenräumen gepackten Silikateilchen eine größere Zusammenhaltfestigkeit als in Abwesenheit der Silikateilchen aufweist.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird einige oder die gesamte Luft aus der Umhüllung entfernt und durch ein schwereres Gas wie beispielsweise Argon ersetzt, um die Wärmeübertragung durch Gasleitung herabzusetzen. Ein solches schweres Gas hat vorzugsweise ein Molekulargewicht, das größer als das von gasförmigem Sauerstoff ist und es macht mindestens 50% der in der Umhüllung vorhandenen Gasmoleküle aus.
  • Das in Fig. 3 gezeigte Kühl-/Gefriergerät beinhaltet ein Gefrierfach 20 und ein Kühlfach 22. Die umhüllten Isolierplatten sind sowohl bei dem Gefrierfach als auch dem Kühlfach zwischen einer Außenwand 24 und einer Innenwand 26 angeordnet. Die Isolierplatte der Erfindung kann geformt oder gepreßt werden, um auf einfache gekrümmte Muster zu passen.
  • Zusätzlich zur Verwendung als Isolation für Kühl- und Gefriergeräte kann die Isolierplatte der Erfindung auch zur Isolation von Wassererhitzern, Eisenbahnwagen und anderen Transportfahrzeugen, Kesseln für Tieftemperaturgase wie flüssigen Sauerstoff und flüssigen Stickstoff, Raumfahrzeugen und bei Haushaltsanwendungen verwendet werden. Andere Anwendungen der Isolierplatte der Erfindung beinhalten die Isolation von Industrieanlagen, wie der Fachmann erkennen wird.
  • Für das evakuierte Isoliererzeugnis der Erfindung mit einem Vakuum von etwa 10&supmin;² Torr wird ein R-Wert von etwa 15 bis 50 R pro Zoll (5,90 bis 19,7 R pro cm) vorhergesagt. Dabei wird ein Brett einer Dichte von 12 pcf (0,192 g/cm³) mit 10 Gew.-% amorphem Silikapulver angenommen. Ein kommerziell erhältliches Pulver ist das von North American Silika Company, Richfield Park, New Jersey angebotene Hydrokieselgel der Marke FK 500 LS. Hydrokieselgel und Quarzstaub werden auch von der Cabot Corporation verkauft.
  • Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß Glasfasern mittels Fasermaschinen 28 erzeugt werden. Die Fasermaschinen können jedwede Einrichtungen sein, die zur Herstellung von Glasfasern geeignet sind, wie beispielsweise Faserspinner, die im Stand der Technik bekannt sind. Die Glasfasern können abwärts in eine Sammelkammer geleitet und auf einem Aufnahmeförderer 30 gesammelt werden.
  • Das Silikapulver wird den Fasern vorzugsweise auf ihrem Weg abwärts von den Fasermaschinen zu dem sammelnden Förderer beigegeben. Zu diesem Zweck sind Düsen 32 angeordnet, um das Partikelmaterial in den sich abwärts bewegenden Strom der Fasern zu sprühen. Aufgrund der Feinheit des Partikelmaterials ist es bevorzugt, das Material als Suspension in einer Lösung, vorzugsweise einer wässrigen Lösung, zu halten und die Lösung in den abwärts laufenden Faserstrom zu sprühen. Die Fasern laufen durch eine relativ turbulente und heiße Umgebung und der größte Teil, wenn nicht die gesamte Flüssig keit der wässrigen Lösung verdampft bis zur Zeit, zu der die Fasern den Förderer erreichen.
  • Die Fasern werden in Form einer Decke oder eines Ballens 34 gesammelt. Der Ballen wird dann durch eine Preßstation 36 geleitet, wo ihn ein oberer Förderer 38 und ein unterer Förderer 40 auf die gewünschte Dichte pressen. Vorzugsweise wird während des Preßvorgangs Wärme angewendet und die Temperatur des Ballens wird vorzugsweise auf mindestens 600ºF (315ºC) und besonders bevorzugt auf mindestens 1000ºF (538ºC) erhöht.
  • Nachdem der gepreßte Ballen die Preßstation verlassen hat, wird er von einem Hacker 42 in Isolierplatten zerhackt. Die Platten werden einem Vakuumheizvorgang unterworfen, um sie vor der Umhüllung zu reinigen. Der Reinigungsschritt ist notwendig, um ein Ausgasen und daraufhin einen Vakuumverlust zu verringern. Danach werden die Platten nach aus der Technik bekannten Verfahren von einer Umhüllung eingeschlossen und evakuiert, um die Isoliererzeugnisse der Erfindung zu bilden.
  • Das bevorzugte Verfahren zur Messung der Menge an Silikapulver in der Platte mit Glasfasern und Silikapulver besteht in der Messung des tatsächlichen Prozentsatzes Siliciumatome in der Platte unter Verwendung von Massenspektroskopie. Da die Glaszusammensetzung bekannt ist, kann die Menge zusätzlichen Siliciums berechnet werden, wodurch der exakte Prozentsatz des Silikapulvers in der Platte bestimmt wird. Ähnliche Messungen könnten mit Pulvern anderer Materialien und mit von Glasfasern verschiedenen Mineralfasern durchgeführt werden.

Claims (10)

1. Isolierplatte (12) bestehend aus einem Mineralfaser- Brett einer Dichte zwischen 128 und 449 kg/m³ (zwischen 8 und 28 Pfund pro Kubikfuß), wobei auf die Fasern (18) kein organisches Bindemittel aufgebracht ist, und zu 5 bis 40 Gew.-% aus einem Partikelmaterial (16) in Zwischenräumen des Bretts, wobei die Fasern einen Durchmesser zwischen 1 und 25 um besitzen und das Partikelmaterial eine Oberflächenausdehnung von mindestens 50 m²/g aufweist.
2. Isolierplatte nach Anspruch 1, bei der die Fasern Glasfasern sind.
3. Isolierplatte nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Partikelmaterial amorphes Silicapulver ist.
4. Isolierplatte nach Anspruch 3, bei der das amorphe Silicapulver eine Oberflächenausdehnung von mindestens 150 m²/g aufweist.
5. Isoliererzeugnis (10) mit einer Isolierplatte (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die in einer gasdichten Umhüllung (14) eingeschlossen ist, die ihrerseits teilweise evakuiert ist.
6. Isoliererzeugnis nach Anspruch 5, bei dem die Umhüllung Gase eines Molekulargewichts größer als das von gasförmigen Sauerstoff enthält, wobei diese Gase mindestens 50% der in der Umhüllung enthaltenen Gasmoleküle ausmachen.
7. Isoliererzeugnis nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Druck innerhalb der Umhüllung zwischen 0,013 und 1333 Pa (zwischen 10&supmin;&sup4; Torr und 10 Torr) beträgt.
8. Isoliererzeugnis nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die gasdichte Umhüllung eine Metallfolie einer Dicke zwischen 0,0127 und 0,102 mm (zwischen 0,5 und 4 mils) enthält.
9. Isoliererzeugnis nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem ein Gettermaterial innerhalb der gasdichten Umhüllung angebracht ist.
10. Isoliererzeugnis nach einem der Ansprüche 5 bis 9, das in der Wand eines Kühl- oder Gefrierschranks angebracht ist.
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