DE69535351T2

DE69535351T2 - Metallischer Wärmeisolator

Info

Publication number: DE69535351T2
Application number: DE69535351T
Authority: DE
Inventors: C. Stanley Winston-Salem SHULER; J. John Elkin HIERS; L. Timothy Boonville BYRD
Original assignee: Lydall Inc
Current assignee: Lydall Inc
Priority date: 1994-01-10
Filing date: 1995-01-09
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2015-01-10
Also published as: EP0739270B1; EP0739270A4; EP0739270A1; CA2176225C; KR960705676A; KR100216861B1; WO1995018716A1; AU676963B2; ATE349314T1; US5768781A; US5424139A; DE739270T1; CA2176225A1; DE69535351D1; AU1600295A; JP2860171B2; JPH09510151A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf metallische Wärmeisolatoren einer bekannten Art, welche mindestens zwei allgemein ausgedehnte, planare, dünne Metallschichten aufweisen, die im Allgemeinen einer über dem anderen in einer beabstandeten Beziehung mit einem dazwischenliegenden metallischen Separator ausgebildet sind, der beide Schichten kontaktiert, um die beabstandete Beziehung aufrechtzuerhalten. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verbesserung im Separator derartiger metallischer Wärmeisolatoren.
Hintergrund der Erfindung
Wärmeisolatoren nehmen im Stand der Technik verschiedene Formen ein, einschließlich Isolatoren, die aus gewobenen und nicht-gewobenen Fasern natürlicher oder synthetischer Materialien hergestellt sind, zum Beispiel Plastik, Glasfasern, Mineralfasern und keramischer Fasern. Die Faserisolatoren sind speziell konstruiert für spezielle Anwendungen, unter Rücksichtnahme auf die Umgebung, in welcher diese Isolatoren arbeiten müssen. Es existiert jedoch eine spezielle Anwendung für Wärmeisolatoren, in welcher derartige gewöhnliche Isolatoren inakzeptabel sind, d. h. in sehr hohen Temperaturumgebungen und wo diese Umgebungen hohe Feuchtigkeitsbedingungen und/oder korrosive Bedingungen einschließen können. In diesen Umgebungen sind die üblichen Faserisolatoren ineffektiv, da die Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur dieser Fasern geringer ist als die Temperatur, bei welcher der Isolator arbeiten muss. Hinzu kommt, dass, wenn Isolatoren unter hohen Feuchtigkeitsbedingungen betrieben werden, die üblichen Faser-Isolatoren Feuchtigkeit absorbieren und dass absorbierte Feuchtigkeit den Isolationswert derartiger Isolatoren sehr erheblich reduziert. Weiterhin umfassen die Umgebungen, welche sowohl hohe Temperatur als auch Feuchtigkeit umfassen, häufig auch korrosive Bedingungen, und derartige korrosive Bedingungen können leicht herkömmliche Faserisolatoren verschlechtern.
Für diese sehr spezialisierten Umgebungen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass metallische Wärmeisolatoren die beste Wahl sind. Diese metallischen Wärmeisolatoren haben im Allgemeinen mindestens zwei allgemein ausgedehnte, planare, dünne Metallschichten, welche allgemein eine über der anderen in beabstandeter Beziehung angeordnet sind, mit einem Metallseparator dazwischen, welcher beide dünne Metallschichten kontaktiert, um die beabstandete Beziehung aufrechtzuerhalten. Da diese Isolatoren vollständig aus Metall hergestellt sind, können diese den hohen Temperaturen und spezialisierten Umgebungen widerstehen. Zusätzlich können die dünnen metallischen Schichten an ihren äußeren Kanten versiegelt werden, um beispielsweise den Isolator im Wesentlichen wasserdicht zu machen und dadurch den Eintritt von Feuchtigkeit in den Isolator zu verhindern. Weiterhin wird, im Hinblick auf die sehr hohen Temperaturen der Umgebungen, jegliche Feuchtigkeit, welche dennoch in den Isolator eintritt, verdampft und im Allgemeinen ausgetrieben. Weiterhin kann, unter korrosiven Bedingungen, das Metall des Isolators, einschließlich sowohl der dünnen metallischen Schichten als auch des Separators, aus anti-korrosivem Metall hergestellt sein oder kann, alternativ, eine anti-korrosive Beschichtung oder Veredelung darauf oder auf Teilen davon aufweisen.
Das wahrscheinlich früheste erfolgreiche Beispiel eines derartigen metallischen Wärmeisolators ist offenbart in US-Patent 3,212,864, erteilt an Rhudy am 19. Oktober 1965. Wie in dem Patent offenbart wird, sind die metallischen Wärmeisolatoren davon nützlich zum Isolieren von Rohren oder Röhren, die sehr heiße Flüssigkeiten führen, wie beispielsweise flüssiges Natrium. Der Isolator ist aus einer Vielzahl von dünnen metallischen Schichten hergestellt, die reflektierende Oberflächen mit einem geringen thermischen Emissionsvermögen aufweisen, und ein Separator, der aus einem gewobenen metallischen Stoff, Schirm oder Gewebe hergestellt ist, ist zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten angeordnet, um den Abstand zwischen diesen aufrechtzuerhalten.
Ein jüngeres Beispiel derartiger Isolatoren ist in den US-Patenten 5,011,743 und 5,111,577, erteilt an Sheridan et al., gezeigt, wobei diese Patente denselben Inhaber aufweisen. Diese Patente verwenden, sehr ähnlich zu der Anordnung von Rhudy, eine Mehrzahl von beabstandet angeordneten, dünnen, metallischen Schichten, welche eine über der anderen angeordnet ist, wobei die dünnen, metallischen Schichten dieser Patente jedoch voneinander durch eine Mehrzahl von Erhebungen beabstandet sind, welche sich von mindestens einer der benachbarten dünnen metallischen Schichten aus erstrecken, im Gegensatz zu dem getrennten Separator des Rhudy-Patents. Somit halten die Erhebungen dieser Schichten die Beabstandung der Schichten aufrecht, und kein getrennter, unabhängiger Separator, wie derjenige, der in dem Rhudy-Patent gezeigt ist, ist erforderlich. Die Isolatoren der Patente von Sheridan et al. sind ausgestaltet für den Einsatz in einer Isolierung von Hochtemperatur-Quellen von Temperatur-sensitiven Elementen, die relativ benachbart hierzu angeordnet sind, und derartige Isolatoren sind beispielsweise eingesetzt worden zum Isolieren von Hochtemperatur-Abgaskomponenten eines Automobils von anderen Temperatur-sensitiven Teilen des Automobils, zum Beispiel Komponenten der Bodengruppe.
Grundsätzlich wird in Isolatoren derart, wie sie durch das Rhudy-Patent und die Patente von Sheridan et al. beschrieben werden, die Isolation erreicht über die beabstandeten dünnen metallischen Schichten, wie beispielsweise dünne Aluminium-Schichten. Wärmeabstrahlung von der Wärmequelle, zum Beispiel einer Abgaskomponente, hin zu einer ersten dünnen metallischen Schicht eines Isolators wird teilweise von der ersten dünnen metallischen Schicht absorbiert. Die absorbierte Wärme wird durch Leitung über die Länge und Breite der ersten Schicht verteilt, um durch Abstrahlung dissipiert zu werden, zum Beispiel hin zu einem kühleren Teil eines Automobil-Unterbaus, und über Konvektion zu einem Luftstrom über den Isolator. Auch wird Wärme von dieser ersten Schicht abgestrahlt hin zu einer nächsten, darunter liegenden zweiten Schicht, wobei jedoch Leitung zwischen diesen beiden Schichten weitgehend vermieden wird, aufgrund der beabstandeten Konfiguration dieser Schichten, da der Luftspalt zwischen den beiden Schichten diese Wärmeübertragung über Wärmeleitung erheblich behindert. Dieser selbe Isolationsvorgang wird fortgesetzt hin zu einer nächsten, darunter liegenden Schicht usw., solange, bis eine letzte darunter liegende Schicht wiederum in der Weise wirkt, wie oben im Zusammenhang mit der ersten Schicht beschrieben.
Damit wird, wenn Wärme von der ersten Schicht absorbiert wird, ein Teil dieser Wärme über Abstrahlung hin zu kühleren Teilen des Unterbaus des Automobils dissipiert, und ein Teil der Wärme wird zu der nächsten, darunter liegenden Schicht abgestrahlt. Diese Wärme wird wiederum über Wärmeleitung lateral innerhalb der zweiten Schicht übertragen, auf dieselbe Weise wie in der ersten Schicht, und wird wiederum hin zu kühleren Teilen des Automobils abgestrahlt. Da sich diese Isolationsfunktion hin zur letzten darunterliegenden Schicht fortsetzt, dissipiert eine Wärmeübertragung über Abstrahlung und Konvektion hin zu einem Luftstrom über diese letzte, darunter liegende Schicht die Wärme und hält diese letzte darunter liegende Schicht vergleichsweise kühl. Im Gegenzug wird eine Automobilkomponente, welche benachbart zu der letzten darunter liegenden Schicht angeordnet ist, vergleichsweise kühl gehalten, zum Beispiel Komponenten der Bodengruppe eines Automobils. Die Isolatoren hängen daher von einer maximalen Wärmeabstrahlung vom Isolator und einer minimalen Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch den Isolator ab.
Es ist daher offensichtlich, dass ein kritisches Element derartiger metallischer Isolatoren das Mittel zur Beabstandung der dünnen metallischen Schichten ist. An jedem Kontaktpunkt zwischen dem Separator und einer benachbarten dünnen metallischen Schicht wird unerwünschte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch den Isolator auftreten. Zusätzlich wird der Separator zumindest teilweise die Bewegung von Konvektionsströmen zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten vermindern, und eine derartig verminderte Bewegung wird unerwünschte Wärmeübertragung durch Konvektion durch den Isolator vermindern. Weiterhin beeinflusst die Gestalt, Größe und Konfiguration des Separators wesentlich die Möglichkeit, den Isolator zu komplexeren Formen auszubilden oder zu konfigurieren, beispielsweise um diesen an den Unterboden eines Automobils anzupassen, ohne den Isolator in transversaler Richtung, d. h. in Z-Richtung zu kollabieren.
Wie oben festgestellt, schlägt das Rhudy-Patent gewobenen Stoff, Schirm oder Netz als Separator vor, und obwohl jedes davon im Wesentlichen Steifigkeit des Isolators in Z-Richtung, d. h. transversal zur planaren Richtung der Schichten, bereitstellen wird, stellt, um den Isolator an komplexere Formen wie diejenigen, die von Rhudy versprochen wurden, anzupassen, jede dieser Formen auch erheblichen Metall-zu-Metall-Kontakt mit benachbarten dünnen metallischen Schichten her, und dementsprechend ist die unerwünschte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch den Isolator erheblich. Zusätzlich ermöglicht jede dieser Formen von Separatoren einen erheblichen Wärmeübertrag durch Konvektion.
Auf der anderen Seite offenbaren die Patente von Sheridan et al. Erhebungen in mindestens einer der benachbarten dünnen metallischen Schichten, welche dazu dienen, die beabstandete Beziehung aufrechtzuerhalten. Diese Erhebungen beschränken den Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen benachbarten Schichten und begrenzen daher eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch den Isolator, im Gegensatz zu dem größeren Kontakt von Metall zu Metall der Separatoren des Rhudy-Patents. Daher tritt eine Verringerung im Betrag der durch Wärmeleitung durch den Isolator übertragenen Wärme auf. Diese Erhebungen werden jedoch erhebliche Luftströme zwischen benachbarten Schichten erlauben, und die Wärmeübertragung durch den Isolator durch Konvektion ist daher erheblich.
Während die Patente von Sheridan et al. eine gewisse Breite für die Konfiguration dieser Erhebungen vorsehen, sind diese Erhebungen in gewisser Weise von der Ausgestaltung eines Eierkarton-Designs, derart, dass Wärmeübertragung durch Wärmeleitung zwischen benachbarten Schichten begrenzt wird auf diejenige Wärmeleitung, die zwischen den Metall-zu-Metall-Kontakten der Erhebungen und einer benachbarten Schicht auftritt.
Diese Anordnung führt jedoch zu drei ernstzunehmenden Schwierigkeiten. Zum ersten sind die Erhebungen der Patente von Sheridan et al. vergleichsweise groß, im Vergleich zur Dicke der Schichten, und die Erhebungen stellen immer noch insgesamt eine erhebliche Fläche an Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den Erhebungen und einer benachbarten dünnen Metallschicht dar, durch welche ein erheblicher Wärmeübertrag durch Wärmeleitung stattfindet.
Zweitens erlauben diese vergleichsweise großen Erhebungen eine signifikante Bewegung von Luftströmen zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten, und daher ist eine Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten vergleichsweise signifikant.
Drittens stellen diese vergleichsweise dünnen Erhebungen, da die Erhebungen aus relativ dünnen metallischen Schichten, zum Beispiel Aluminiumfolie, hergestellt sind, eine sehr kleine Kompressionsstärke des Isolators in Z-Richtung bereit, d. h. in der transversalen Richtung zur planaren Richtung der Schichten. Wenn ein derartiger Isolator als Wärmeschild unter dem Körper eines Automobils eingesetzt wird, z.B. zwischen einer Hitzequelle des Abgassystems und der Unterbodengruppe, kann der Wärmeschild ernsthaft durch gewöhnliche Straßengefahren in der transversalen Richtung verbeult werden, wie beispielsweise durch aufgeworfene Steine, oder kann beschädigt werden durch Ungeschicklichkeiten von Mechanikern, die in der Umgebung des Wärmeschilds arbeiten. Weiterhin kann sich der Isolator, da die Kompressionsstärke oder Steifigkeit des Isolators in transversaler Richtung relativ gering ist, aufwölben, wenn dieser in die notwendigen Formen gebracht wird, zum Beispiel für den Einsatz als Wärmeschild unter einer Automobilkarosserie, und besonders wenn komplexe Konturen erforderlich sind. Natürlich stellt jeder verbeulte oder aufgewölbte Bereich eine Fläche für eine erheblich erhöhte unerwünschte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung dar. Dies verursacht ernstzunehmende Zuverlässigkeitsprobleme für die Isolatoren der Patente von Sheridan et al., insbesondere wenn diese als Wärmeschilde unterhalb eines Automobils eingesetzt werden, wie oben kurz dargestellt wurde.
Es wäre daher von erheblichem Vorteil für den Stand der Technik, wenn ein derartiger Isolator der oben beschriebenen Art bereitgestellt würde, zum Beispiel für Wärmeschilde, wobei jedoch diese Wärmeschilde eine verminderte transversale Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragung durch Konvektion aufwiesen und, gleichzeitig, der Isolator eine erhebliche Kompressionsstärke oder Steifigkeit in transversaler Richtung aufwiese, derart, dass die Wärmeschilde gewöhnlichen Straßengefahren widerstehen könnten und in komplexe Konturen gebracht werden könnten, ohne eine Aufwölbung oder andere Deformation.
Die vorliegende Erfindung beruht auf verschiedenen grundlegenden Entdeckungen und verschiedenen subsidiären Entdeckungen.
Als erste Entdeckung wurde herausgefunden, dass, wenn der Separator zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten separat und verschieden ausgebildet ist, d. h. nicht permanent verbunden mit oder Teil der Schichten, wie in den Patenten von Sheridan et al., und hergestellt ist aus bestimmten, nicht-gewobenen, im Wesentlichen offenen metallischen Materialien, im Gegensatz zu den gewobenen Materialien des Rhudy-Patents, und eine erhebliche Dimension in Z-Richtung aufweist, dieses Material eine hohe Kompressionsstärke in transversaler Richtung des Isolators bereitstellen wird, während es gleichzeitig die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch den Isolator sehr erheblich reduziert.
Als eine zweite primäre Entdeckung wurde herausgefunden, dass diese bestimmten nicht-gewobenen, im Wesentlichen offenen metallischen Materialien erhebliche Freiheitsgrade in der X- und Y-Richtung aufweisen, im Gegensatz zu den gewobenen Materialien des Rhudy-Patents. Somit kann das nicht-gewobene Material leicht gebogen, ausgedehnt oder kontrahiert werden in allen planaren Richtungen und in einem signifikanten Ausmaß in der Z-Richtung. Dies erlaubt eine Bildung komplexer Gestalten und Konturen von Wärmeschilden ohne Aufwölbungen oder anderer Deformation.
Als subsidiäre Entdeckung in der vorgenannten Hinsicht wurde herausgefunden, dass diese gewissen nicht-gewobenen Materialien erhebliche Säulenstärken in Z-Richtung aufweisen, d. h. Kompressionsstärken oder Steifigkeit, und dass ein Biegen für die Herstellung komplexer Formen keine wesentliche Veränderung in der Dicke des Isolators in Z-Richtung verursacht. Somit wird der Isolator im Wesentlichen in der Dimension in Z-Richtung intakt bleiben, sogar bei signifikantem Biegen zur Formung oder Konfigurierung des Isolators in eine erforderliche Gestalt für den Einsatz als Wärmeschild, welches unter einer Automobilkarosserie angepasst ist.
Als weitere primäre Entdeckung wurde herausgefunden, dass, wenn diese gewissen nicht-gewobenen Materialien eine erhebliche Dimension in Z-Richtung aufweisen, lediglich ein kleiner Bereich der Oberflächen der Materialien tatsächlich eine benachbarte dünne Schicht kontaktiert. Hinsichtlich dieser sehr kleinen Kontaktfläche ist zusätzlich die Kontaktfläche der Materialien mit benachbarten Schichten sehr klein, und daher ist Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch den Isolator nicht wesentlich beeinträchtigt, im Gegensatz zu den gewobenen Materialien des Rhudy-Patents.
Als weitere primäre Entdeckung wurde herausgefunden, dass, angesichts der erheblichen Dimension in Z-Richtung des nicht-gewobenen Materials, im Gegensatz zur mehr flachen Konfiguration der gewobenen Materialien des Rhudy-Patents, erhebliche Öffnungen in transversaler Richtung auftreten, und dass diese Öffnungen die Bewegung von Luftströmen zwischen benachbarten dünnen Metallschichten erheblich vermindern, und, dass entsprechend die Wärmeübertragung durch Konvektion vermindert wird, zum Beispiel im Gegensatz zu den Patenten von Sheridan et al.
Als eine weitere subsidiäre Entdeckung wurde herausgefunden, dass gewisse nicht-gewobene Materialien erhebliche Freiheitsgrade in allen Richtungen aufweisen, d. h. in der X-, Y- und Z-Richtung, und dass daher ein erhebliches Biegen des Isolators, zum Beispiel wie dasjenige, was im Betrieb als Wärmeschild unter Automobilkarosserien auftreten kann, den Wärmeschild nicht erheblich deformieren wird, im Gegensatz zum Wärmeschild gemäß den Patenten von Sheridan et al.
Die bestimmten nicht-gewobenen metallischen Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung, welche als Separator eingesetzt werden, haben eine erhebliche Dimension in Z-Richtung gemeinsam, sowie eine verminderte Kontaktoberfläche auf den oberen und unteren Kontaktflächen davon, d. h. den Oberflächen, welche eine benachbarte dünne Metallschicht kontaktieren. Insbesondere haben diese bestimmten nicht-gewobenen metallischen Materialien Kontaktflächen mit Kontaktflächen-Oberflächen von weniger als ungefähr 30 % einer planaren Fläche des Separators parallel zur X- und Y-Richtung des Separators. Anders ausgedrückt entspricht in einem Separator, welcher X- und Y-Dimensionen von A und B hat, die Oberfläche einer Ebene parallel zu den X- und Y-Dimensionen A × B, und die vorliegenden nicht-gewobenen metallischen Separatoren müssen eine obere Oberfläche aufweisen (welche eine benachbarte dünne Metallschicht kontaktiert) und eine untere Oberfläche (welche die nächste benachbarte dünne Metallschicht kontaktiert), wobei die Gesamtfläche des Kontakts zwischen der oberen und der unteren Oberfläche geringer ist als 300 mal A × B.
Somit bezieht sich, sehr kurz ausgedrückt, die vorliegende Erfindung auf eine Verbesserung in einem im Allgemeinen ausgedehnten, dünnen Metallschicht-Wärmeisolator, welcher mindestens zwei im Allgemeinen ausgedehnte dünne metallische Schichten aufweist, die allgemein eine über der anderen in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind und einen Metall-Separator dazwischen aufweisen, welcher beide Schichten kontaktiert, um die beabstandete Beziehung aufrechtzuerhalten, wobei die Verbesserung umfasst:
Einen nicht-gewobenen, im Wesentlichen offenen metallischen Separator, welcher nicht permanent verbunden ist mit den Schichten oder Teil derselben ist und welcher eine erhebliche Dimension in Z-Richtung aufweist und welcher im Wesentlich parallele obere und untere Kontakt-Oberflächen aufweist, die in einer Z-Richtung beabstandet sind; wobei der Separator in der Form einer gebogenen, ausgedehnten metallischen Folie vorliegt, welche beabstandete, im Wesentlichen vertikal angeordnete Bereiche aufweist und geschnittene gebogene Bereiche, die die vertikal angeordneten Bereiche kontaktieren, und wobei sich die vertikal angeordneten Bereiche weiter von einer zentralen Ebene der Folie aus erstrecken als die gebogenen Bereiche, derart, dass die gebogenen Bereiche die dünnen Metallschichten nicht erheblich kontaktieren und dass die obere Kontaktoberfläche und eine untere Kontaktoberfläche, welche durch die vertikal angeordneten Bereiche gebildet wird, Kontaktflächen-Oberflächen von weniger als 30 % einer planaren Fläche des Separators parallel zur X- und Y-Richtung des Separators aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine teilweise erhöhte isometrische Ansicht eines konturierten Isolators gemäß der vorliegenden Erfindung und geeignet für den Einsatz als Automobil-Wärmeschild, und 1B ist eine Draufsicht davon;
2 ist eine Querschnittsansicht von 1, betrachtet entlang der Linien I bis II;
3 ist ein repräsentatives Muster eines typischen gestrickten Separators, welcher einsetzbar ist für die vorliegende Erfindung;
4 ist eine hochgradig idealisierte schematische Verdeutlichung eines Kontaktes zwischen dem vorliegenden gestrickten Separator und benachbarten dünnen Metallschichten;
5A ist ein repräsentatives isometrisches Muster eines typischen Separators mit gebogener ausgedehnter Folie, welcher einsetzbar ist mit der vorliegenden Erfindung, und
5B ist eine Draufsicht darauf;
6 ist eine Darstellung verschiedener Anordnungen des Separators auf einer der dünnen Metallschichten;
7 ist ein idealisierter Querschnitt zweier dünner Metallschichten mit mehreren Lagen an Separatoren;
8 ist eine schematische Verdeutlichung der Anordnung des vorliegenden Isolators in Form eines Wärmeschilds unter einer Automobilkarosserie und benachbart zu einer Abgaskomponente;
9 ist eine schematische Darstellung eines typischen gewobenen Separators gemäß dem Stand der Technik;
10, 11 und 12 sind schematische Darstellungen von Unterschieden zwischen dem Separator gemäß dem Stand der Technik in 9 und den vorliegenden Separatoren;
13 ist eine Verdeutlichung weiteren Standes der Technik und, in Vergleich mit den 10, 11 und 12, verdeutlicht Unterschiede zwischen diesem Stand der Technik gemäß 13 und der vorliegenden Erfindung; und
14, 15, 16 und 17 stellen graphisch die Daten dar, welche in dem Arbeitsbeispiel berichtet werden.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Wie in den 1A und 1B zu erkennen ist, kann der vorliegende Wärmeisolator, zum Beispiel in Form eines Automobilwärmeschilds, allgemein 1 (siehe 1B), in einer sehr komplexen Konfiguration vorliegen (siehe 1A) und kann immer noch die Vorteile, welche oben kurz beschrieben wurden, genießen. Wie in 2 dargestellt, beabstanden Separatoren 2 dünne Metallschichten 3, 4, 5, 6 und 7. Eine beliebige Anzahl dünner Metallschichten kann eingesetzt werden, zum Beispiel 2 bis 20 oder mehr, und ein Separator ist zwischen benachbarten dünnen Metallschichten vorgesehen, um diese Schichten in der erforderlichen beabstandeten Beziehung zu halten. Die umlaufenden Kanten 9 sind gewöhnlich versiegelt, können zum Beispiel mittels einer Klammer 10 zusammengeklammert sein. Somit illustrieren die 1 und 2, soweit sie bisher beschrieben worden sind, die gewöhnliche Anordnung von Isolatoren gemäß dem Stand der Technik.
Die 1 bis 5 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Für ein breiteres Verständnis der Erfindung und Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik sind jedoch die 9 bis 13 instruktiver. Daher werden zunächst diese Figuren im Detail diskutiert.
9 zeigt einen Querschnitt eines Isolators gemäß dem Rhudy-Patent, welcher dünne Metallschichten 90 und 91 aufweist, welche in der Z-Richtung durch einen gewobenen Separator beabstandet sind, der allgemein mit 93 bezeichnet ist. Der Separator 93 besteht aus verwobenen Kettfäden 94 und Schussfäden 95 (wovon lediglich einer gezeigt ist). Die inhärente Krümmung der Schussfäden 95, welche unterhalb und oberhalb der Kettfäden 94 verlaufen, resultiert in oberen und unteren Kontaktbereichen 96a und 96b, welche in Kontakt stehen mit dünnen Metallschichten 90 und 91 entlang der Kontaktflächen 97a und 97b. Diese Kontaktflächen liegen im Allgemeinen in Kontaktebenen 98a und 98b, wobei diese Kontaktebenen im Wesentlichen parallel zueinander sind und im Wesentlichen parallel zu einer planaren Fläche 99 (die in der Papierebene der Zeichnungen liegende Ebene). Natürlich wäre ein Querschnitt des Rhudy-Isolators, welcher einen Querschnitt durch die Schussfäden 93 zeigt, im Gegensatz zum Querschnitt gemäß 9 durch die Kettfäden 94, identisch zu 9.
Wie daher aus 9 ersichtlich ist, bildet sowohl die obere Kontaktfläche 97a als auch die unter Kontaktfläche 97b für einen typischen gewobenen Separator eine gesamte Kontaktfläche von 50 % der planaren Fläche 99 des Separators parallel zu der X- und Y-Dimension davon. In praktischen Begriffen bedeutet dies, dass die Kontaktflächen-Oberflächen der Kontaktflächen 98a und 98b lediglich 50 % geringer sind als diejenige eines theoretischen soliden Querschnitts-Separators, und dass daher 50 % der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch einen theoretischen Separator in der Z-Richtung durch die Kontaktflächen-Oberflächen der Kontaktflächen 98a und 98b erfolgen wird. Dies ist einfach zuviel Kontaktoberfläche und reduziert sehr erheblich die Effizienz und den Wärmewiderstand des Isolators.
Zusätzlich ist die Z-Richtungs-Dimension des gewobenen Separators nicht erheblich, wie weiter unten genauer definiert, und dies ist eine inhärente Eigenschaft in einem gewobenen Stoff aufgrund der erforderlichen Lage der Kett- und Schussfäden. Somit müssen diese Schichten entweder nahe beieinander liegen, oder es müssen viele Lagen der gewobenen Separatoren zwischen den Schichten eingesetzt werden, was die Kosten und das Gewicht des Isolators erheblich erhöht.
10 zeigt eine Ansicht von oben auf ein idealisiertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dieser Figur überlagert eine dünne Metallschicht 100 (gezeigt in gestrichelten Phantomlinien) die obere Kontaktfläche 101 und kontaktiert diese. Es ist zu sehen, dass die Oberfläche 102 der Kontaktfläche eines beliebigen Segments 103 des Separators einen kleinen Prozentsatz einer planaren Fläche des Separators ausmacht (der Fläche, welche die verschiedenen Segmente 103 umfasst), zum Beispiel nicht mehr als 30 % der planaren Fläche, üblicherweise weniger als 20 % oder 10 % oder sogar 5 % und sogar geringer als 1 % der planaren Fläche in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel. Dies liegt daran, dass die Kontaktfläche offen ist, das heißt nicht kontinuierlich ist in einer obersten Ebene in X-Y-Richtung. Indem auf diese Weise die Oberfläche der Kontaktfläche verringert wird, wird unerwünschte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch die Z-Richtung des vorliegenden Isolators entsprechend vermindert.
Dies lässt sich besser erkennen in 11, in welcher eine Einheit 105 der 10 dargestellt ist als eine isolierte Einheit 110. Wie sich in 11 erkennen lässt, ist die Kontaktfläche 111 (schraffier dargestellt) offen und macht somit einen kleinen Prozentsatz der planaren Fläche 112 (kreuz-schraffiert dargestellt) der isolierten Einheit 110 aus, zum Beispiel 10 % oder weniger der planaren Fläche 112. Dies reduziert die Kontaktoberfläche 111 erheblich, das heißt durch den Anteil an der offenen Fläche, und, somit, die unerwünschte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in der Z-Richtung.
Um die Kontaktoberfläche 111 sogar noch weiter zu reduzieren können die Einheiten 105 gemäß 10 eine Vielzahl von Gestalten aufweisen, welche die Kontaktoberfläche reduzieren, das heißt die offene Fläche vergrößern, wie beispielsweise die Einheiten 106, 107 und 108 gemäß 10, wobei eine Vielzahl von Gestalten beispielhaft in 12 ausgeführt ist, wobei die Seiten 120 eine vergrößerte offene Fläche aufweisen und somit verminderte Kontaktoberflächen 121 (schraffiert dargestellt), im Gegensatz zur Kontaktoberfläche 122 der Seite 123, wobei diese Seite eine offene Fläche aufweist und somit eine Kontaktoberfläche 122, welche identisch ist zur Kontaktoberfläche 111 einer Seite einer Einheit 110 in 11.
Derartige Gestalten von Seiten 120 stellen eine Vielzahl von Kontaktbereichen 125 bereit, welche im Allgemeinen beabstandet sind, mit einer dazwischen liegenden offenen Fläche, wie in 12 dargestellt, und mit derartigen Gestalten und derart beabstandet kann die gesamte Kontaktoberfläche mit einer dünnen Metallschicht 128 (dargestellt mit gestrichelten Phantomlinien) leicht 10 % oder weniger der planaren Fläche 112 betragen, wie in 11 dargestellt. Die offene Fläche muss sich nicht vollständig über die Gestalt in Z-Richtung erstrecken und kann einen Unterabschnitt oder einen Teil-Unterabschnitt aufweisen, welcher sich zum Beispiel entlang der planaren Fläche 112 erstreckt. Die Gestalten können eine breite Vielfalt an Formen annehmen, wie in 12 beispielhaft dargestellt, einschließlich aber nicht beschränkt auf die dargestellte „V"-Gestalt, „gezahnte" Gestalt, „H"-Gestalt und kreisförmige oder ovale Gestalt, sowie viele andere. Welche Gestalt jedoch auch angenommen wird, sollten die Kontaktbereiche 125 sowohl auf der oberen als auch der unteren Kontaktfläche 121 und 129 zum Zwecke der strukturellen Integrität des Separators durch Z-Richtungs-Verbinder 130 verbunden sein, welche in der Lage sind, im Wesentlichen kompressionsbelastet zu werden (zum Beispiel Säulen-Belastung), um die transversale Steifigkeit zu erhöhen und ein Zerbrechen oder eine Beschädigung oder ein Zusammenpressen der Isolatoren der Z-Richtung zu vermeiden, aus den oben kurz diskutierten Gründen. Diese Kompressionsbelastung wird einfach erreicht durch die in 12 dargestellten Gestalten.
Es ist weiterhin am meisten bevorzugt, dass mindestens einige der Kontaktbereiche 125 mit mindestens einem anderen Kontaktbereich 125 durch X- und/oder Y-Richtungs-Verbinder 131 oder die Unterabschnitte oder Teil-Unterabschnitte, die oben erwähnt worden sind, verbunden sind, um wiederum eine strukturelle Integrität der Separatoren bereitzustellen, und noch bevorzugter dort, wo im Wesentlichen alle Kontaktbereiche 125 mit benachbarten Kontaktbereichen über die X- und Y-Richtungs-Verbinder verbunden sind, wie in 10 dargestellt. Natürlich ist es sogar noch mehr bevorzugt, um die transversale Wärmeübertragung durch Wärmeleitung durch die X- und/oder Y-Richtungs-Verbinder zu limitieren, dass die X- und/oder Y-Richtungs-Verbinder die dünne Metallschicht 128 nicht wesentlich kontaktieren, wie es in 12 dargestellt ist, im Gegensatz zu dem erheblichen Kontakt hierzwischen, wie er in 10 dargestellt ist. Dies bedeutet, dass Gestalten, wie sie beispielhaft in 11 dargestellt sind, am meisten bevorzugt sind.
Das vorangehend Beschriebene stellt die vorliegende Erfindung klar und zeigt, wie diese unter verschiedenen Gesichtspunkten sich vom Stand der Technik, der in 9 dargestellt ist, unterscheidet, das heißt von den gewobenen Separatoren des Rhudy-Patents. 13 zeigt einen Querschnitt eines Isolators gemäß den Patenten von Sheridan et al., und es lässt sich erkennen, dass die Patente von Sheridan et al. versuchen, die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in Z-Richtung zu vermindern, indem der separate und sich unterscheidende gewobene Separator von Rhudy, mit einer Vielzahl von Vertiefungen 136, die sich von den Schichten 138a bis 138e der dünnen metallischen Schichten aus erstrecken, durch die Schichten ersetzt werden, die zueinander versetzt angeordnet sind, derart, dass mindestens einige der Vertiefungen nicht in der Z-Richtung ausgerichtet sind. Die Vertiefungen können auch in einem nicht-gleichförmigen Muster oder einer nicht-gleichförmigen Gestalt angeordnet sein. Obwohl diese Anordnung die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in Z-Richtung limitiert, aufgrund der begrenzten Kontaktbereiche 139, welche eine begrenzte Kontaktoberfläche auf einem Ende der Vertiefungen bilden, weisen die anderen Enden der Vertiefungen 140 im Wesentlichen keine Verminderung des Kontaktbereiches und somit der Kontaktoberfläche auf, was im Wesentlichen eine ungehinderte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung hierdurch ermöglicht. Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung kann reduziert werden durch die entsprechende Anzahl von Vertiefungen, dies reduziert jedoch auch entsprechend die Steifigkeit in Z-Richtung und den Widerstand gegenüber Beschädigung, Zusammenpressen etc., wie oben erläutert wurde. Zusätzlich ist die Gestalt der Vertiefungen einer Kompressionsbelastung, das heißt einer säulenartigen Belastung, nicht zuträglich, und die Steifigkeit in Z-Richtung ist inhärent wesentlich geringer als diejenige der Anordung des Rhudy-Patents, was einen ernsten Nachteil darstellt, wie oben beschrieben. All das Vorhergehende resultiert in Kombination in einem weniger als wünschenswerten Isolator, alles hinsichtlich einer Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, letztendlichen „Haut"-Temperatur (die Temperatur einer äußeren dünnen metallischen Schicht) und einem Widerstand gegenüber Beschädigung, wie durch die Daten des unten dargestellten Beispiels klar gezeigt wird.
Es lässt sich somit erkennen, dass die vorliegende Erfindung, wie sie im Zusammenhang mit den verallgemeinerten Ausführungsbeispielen der 10, 11 und 12 beschrieben wird, nicht nur die unerwünschte Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in Z-Richtung erheblich reduziert, im Gegensatz zu dem Rhudy-Patent und den Anordnungen der Patente von Sheridan et al., sondern auch eine Steifigkeit in Z-Richtung bereitstellt, welche ähnlich ist zur Anordnung des Rhudy-Patents und welche erheblich besser ist als diejenige der Patente von Sheridan et al., wie das unten dargestellte Beispiel zeigt, was eine erhebliche Verbesserung des Standes der Technik darstellt.
Es lässt sich auch erkennen, dass, während die vorliegenden verallgemeinerten Anordnungen der 10, 11 und 12 erheblich verbesserte Anordnungen darstellen, wie oben ausgeführt, diese Anordnungen jedoch auch relativ teuer in der Herstellung sind und somit nicht geeignet wären für Isolatoren mit geringen Kosten, wie sie beispielsweise von Automobilherstellern gefordert werden. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die oben diskutierten Eigenschaften dieser verallgemeinerten Anordnungen nahe angenähert werden können durch Separatoren, die aus kommerziell erhältlichen Niederpreis-Materialien hergestellt sind, und die 1 bis 7 zeigen diese Ausführungsbeispiele, welche bevorzugt sind, nur da diese mit niedrigen Kosten verbunden sind.
Zurückkehrend zu den 1 bis 7 sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Separatoren aus einem gestrickten Metalldraht-Gewebe, das heißt einem nicht-gewobenen, offenen Material, hergestellt, wie in 3 dargestellt, was kommerziell erhältlich ist und vergleichsweise kostengünstig ist. Das am meisten bevorzugte Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Separatoren aus einer gebogenen, offenen, ausgedehnten Metallfolie hergestellt sind, wie dies in den 5A und 5B dargestellt ist, da derartige Folien eine Integrität in Z-Richtung bereitstellen, welche nahezu genauso gut ist, wie diejenige des gestrickten Gewebes, wobei diese Folien jedoch erheblich kostengünstiger sind und leichtere Wärmeschilde für Automobile bereitstellen, wo Kosten und Gewichtsreduktion stets wichtig sind. Alternativ können die Separatoren eine Kombination des gestrickten Gewebes und der gebogenen, ausgedehnten Metallfolie sein. Zum Zwecke der Klarheit wird das Ausführungsbeispiel des gestrickten Gewebes als erstes diskutiert.
Wie es sich in 2 erkennen lässt, ist der gestrickete Gewebe-Separator 2 zusammengesetzt aus ineinander greifenden Schleifen 8 (siehe auch 3), in der üblichen Weise der Zusammensetzung eines gestrickten Gewebes.
Während die 2 fünf dünne metallische Schichten 3 bis 7 und vier separate und unterschiedliche gestrickte Metalldraht-Gewebe-Separatoren 2 zeigt, hängt natürlich die Anzahl dünner metallischer Schichten und gestrickter Gewebe-Separatoren von der besonderen Anwendung des Isolators ab, und kann bis hinunter zu lediglich zwei dünnen metallischen Schichten und einem gestrickten Gewebe-Separator betragen, oder bis hinauf zu fünfzehn bis fünfundzwanzig dünnen metallischen Schichten und vierzehn bis vierundzwanzig gestrickten Gewebe-Separatoren. Es ist lediglich erforderlich, dass mindestens zwei im Allgemeinen ausgedehnte dünne metallische Schichten vorliegen, welche allgemein eine über der anderen in beabstandeter Beziehung zueinander angeordnet sind, wie in 2 dargestellt, und dass der gestrickte Metalldraht-Gewebe-Separator (oder jeglicher andere Separator gemäß der Erfindung) zwischen diesen mindestens zwei Schichten angeordnet ist und beide diese Schichten kontaktiert, um die beabstandete Beziehung aufrechtzuerhalten.
Die äußeren Kanten des Isolators können offen sein, es ist jedoch am meisten bevorzugt, insbesondere wenn der Isolator in Form eines Wärmeschildes für Automobile vorliegt, um den Eintritt von Feuchtigkeit oder Wasser zu verhindern, dass die umlaufenden Kanten geschlossen oder versiegelt oder zumindest teilweise geschlossen oder versiegelt sind. Die umlaufenden Kanten können auf eine Anzahl verschiedener Weisen geschlossen sein, und die besondere Weise des Verschließens der äußeren Kanten ist nicht kritisch, wobei die äußeren Kanten jedoch, optional, mittels einem Crimp und/oder Schweißnaht 9 oder einer Klammer 10 geschlossen sein können, wie in 2 dargestellt. Natürlich wird in dem Bereich 20, wo der Crimp beginnt, eine Zusammenpressung der gestrickten Gewebe-Separatoren stattfinden, mit einer entsprechend erhöhten Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, und daher sollte dieser Bereich 20 der Zusammenpressung so klein sein, wie dies für die spezielle Anwendung praktikabel ist.
Die Dicke der dünnen metallischen Schichten ist nicht kritisch, wird sich jedoch allgemein von 0,0127 bis 0,762 mm (0,0005 bis 0,030 Zoll), und mehr bevorzugt von 0,0254 mm bis 0,254 mm (0,001 Zoll bis 0,010 Zoll), erstrecken. Da es jedoch wichtig ist, eine hohe Oberfläche relativ zur Dicke der dünnen metallischen Schichten zu haben, um Wärmeübertragung durch Abstrahlung von den Schichten pro Gewichtseinheit der Schichten zu maximieren, ist es bevorzugt, dass das Verhältnis der Oberfläche zur Dicke der dünnen metallischen Schichten mindestens 1000:1 beträgt und mehr bevorzugt mindestens 2000:1 und sogar noch mehr bevorzugt mindestens 3000:1.
Das Material der dünnen metallischen Schichten ist nicht kritisch und kann, unter anderem, Stahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze und Zinn sein. Alternativ können die dünnen metallischen Schichten mit einer Basis-Metallschicht hergestellt sein, zum Beispiel einem Basismetall aus Stahl, Aluminium etc., und mit einer Beschichtung darauf, zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze und Zinn. Wenn jedoch korrosive Atmosphären anwesend sind, ist die Beschichtung vorzugsweise eine Anti-Korrosionsbeschichtung, wie beispielsweise Zink, Kupfer, Silber oder Chrom.
Der Abstand, um welchen die Schichten beabstandet sind, beeinflusst die Wärmeübertragung sowohl durch Abstrahlung als auch durch Konvektion, und es ist dementsprechend bevorzugt, dass die Schichten weder zu nahe beieinander angeordnet noch zu weit beabstandet sind. Zusätzlich wird, wenn die Schichten weit voneinander beabstandet sind, der Isolator sperrig. Es ist daher bevorzugt, dass die Schichten um 1,27 mm bis 25,4 mm (0,050 Zoll bis 1 Zoll) voneinander beabstandet sind, und mehr bevorzugt um 2,54 mm oder 0,508 mm bis 12,7 mm (0,100 Zoll oder 0,020 Zoll bis 0,500 Zoll). Indem ein offener Separator mit erheblicher Dimension in Z-Richtung bereitgestellt wird, wie unten in weiteren Details beschrieben wird, kann dies leicht erreicht werden, während gleichzeitig sowohl die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung als auch das Gewicht limitiert werden.
Um auch die Abstrahlungsfunktion von einer benachbarten Schicht zu einer anderen benachbarten Schicht oder von einer Schicht hin zu einer benachbarten Wärmeabsorptionskomponente bereitzustellen, zum Beispiel einer Komponente eines Unterbaus eines Automobils zum Zwecke einer Wärmeabsorption, ist es, wie oben beschrieben, bevorzugt, dass die Schichten ein geringes thermisches Emissionsvermögen aufweisen, insbesondere ein Emissionsvermögen, das geringer ist als 0,1 und vorzugsweise geringer als 0,05.
Der gestrickte Metalldraht-Gewebe-Separator kann aus einem beliebigen Metall hergestellt sein, welches zum Zwecke des Strickens in einen Draht geformt werden kann, wobei jedoch vorzugsweise der Draht des gestrickten Metalldraht-Gewebe-Separators Stahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze und Zinn ist. Ähnlich zu den Schichten kann der Metalldraht eine Beschichtung darauf aufweisen, dieselbe, wie sie oben in Zusammenhang mit den Schichten beschrieben wurde, und die Beschichtung ist, wenn korrosive Umgebungen zu verzeichnen sind, vorzugsweise eine Anti-Korrosions-Beschichtung, wobei die Anti-Korrosions-Beschichtung dieselbe ist wie die oben in Zusammenhang mit den Schichten beschriebene. In Zusammenhang mit dem Draht kann jedoch zusätzlich der Draht lediglich einen oxidierten Film darauf aufweisen, wie der Oxidfilm eines Aluminiumdrahtes. Der Oxidfilm bildet einen Wärme-Widerstandsfilm auf dem Draht, welcher die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung vermindert. Solch ein Oxidfilm kann auch eingesetzt werden auf den Oberflächen der dünnen Metallschichten, wenn dies gewünscht wird.
Der Durchmesser des Drahtes kann bis hinunter zu 0,0127 mm (0,0005 Zoll) bis hoch zu wesentlich größeren Durchmessern betragen, wie beispielsweise 0,762 mm (0,030 Zoll), wird jedoch üblicherweise zwischen 0,0254 mm bis 0,127 mm (0,001 Zoll bis 0,005 Zoll) betragen.
Eine weite Vielzahl von Strick-Konfigurationen kann in dem gestrickten Metalldraht-Gewebe-Separator eingesetzt werden, und beliebige der herkömmlichen Strickkonfigurationen sind geeignet für die Zwecke der vorliegenden Erfindung. Aus den unten weiter beschriebenen Gründen ist es jedoch bevorzugt, dass das gestrickte Gewebe mindestens drei Strick-Schleifen pro linearem Zoll aufweist, und mehr bevorzugt mindestens fünf Strick-Schleifen pro linearem Zoll, und sogar noch mehr bevorzugt mindestens zehn Strick-Schleifen pro linearem Zoll. Wie dies aus 3 ersichtlich ist, ist die Anzahl von Schleifen, welche in dem beispielhaften Muster dargestellt ist, vier Schleifen pro linearem Zoll, wie dies durch die Pfeile 21 angedeutet ist.
Wie aus 2 ersichtlich, welche eine Vielzahl verschiedener Strick-Konfigurationen bezüglich des gestrickten Separators 2 zeigt, haben die Schleifen des gestrickten Metalldraht-Gewebe-Separators an ihrem äußersten Ende 25 (siehe 4) Bögen 26 mit einem Radius, welcher nicht größer ist als der Abstand 27 zwischen den beabstandeten Schichten, zum Beispiel den Schichten 3 und 4. Der Bogen, wie er in 4 dargestellt ist, ist natürlich erheblich geringer als der Abstand 27. In jedem Fall sollte der Radius des Bogens, um eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung zwischen benachbarten Schichten innerhalb brauchbaren Grenzen zu halten, nicht mehr als 6,35 mm (0,25 Zoll) betragen, und bei weitem mehr bevorzugt nicht mehr als 2,54 mm (0,1 Zoll). Der Radius dieser Bögen kann jedoch sehr klein sein, zum Beispiel 0,254 mm (0,01 Zoll) oder weniger.
Wie oben dargestellt, ist eine beliebige herkömmliche Strickkonfiguration einsetzbar, ein sehr brauchbares Strickmuster ist jedoch das Überhand-Stricken, wie es in 3 dargestellt ist, und dies ist eine brauchbare Form des Strickens zum Zwecke der vorliegenden Erfindung. Es können jedoch auch andere Strickkonfigurationen eingesetzt werden, wie es gewünscht wird.
Der gestrickte Gewebe-Separator 2 kann sich im Wesentlichen entlang mindestens einer der Schichten erstrecken, zum Beispiel der Schicht 30 gemäß 6, kann jedoch geringer ausgedehnt sein, wie dies anhand der Schicht 31 in 6 dargestellt ist, welche den gestrickten Metalldraht-Gewebe-Separator in Streifen darstellt. Alternativ zu Streifen kann jedoch auch eine Scheibe 33 des gestrickten Metalldraht-Gewebe-Separators eingesetzt werden, zum Beispiel Scheiben von 0,5 bis 4 Zoll oder mehr. Weiterhin kann alternativ der gestrickte Metalldraht-Gewebe-Separator in Streifen spezieller Konfigurationen vorliegen, wie beispielsweise den Streifen 34 auf der Schicht 35 der 6.
Während mindestens eine Schicht des gestrickten Metalldraht-Gewebe-Separators zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten vorliegen muss, können auch mehr als eine Schicht vorliegen, zum Beispiel zwei oder mehr Schichten, zum Beispiel bis zu sechs oder sieben oder acht Schichten des gestrickten Gewebes, wie durch die Schichten 60 und 61 zwischen den dünnen metallischen Schichten 62 und 63 der 7 dargestellt ist. Zusätzlich muss der gestrickte Gewebe-Separator nicht eben sein, wie dies durch den gestrickten Gewebe-Separator 60 in 7 dargestellt ist, sondern kann eine nicht-ebene Konfiguration aufweisen, wie beispielsweise die gecrimpte Konfiguration des gestrickten Gewebe-Separators 61, wie er in 7 dargestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 2 können die äußeren Kanten der Schichten in Kontakt miteinander sein, wie an der gecrimpten Kante 9 gemäß 2 dargestellt. Zusätzlich können die äußeren Kanten der Schichten in Kontakt mit dem gestrickten Gewebe sein, wie es wiederum in 2 an der gecrimpten äußeren Kante 9 dargestellt ist. Dies ist jedoch nicht notwendig, und, wie im rechten Bereich von 2 gezeigt, können zumindest einige der Schichten, zum Beispiel Schicht 6, enden, bevor diese die äußere Kante 70 erreichen, und einige der gestrickten Gewebe-Separatoren können auch enden, bevor diese die äußere Kante 70 erreichen, wie an der Kante 71 des gestrickten Gewebe-Separators 2 in 2 gezeigt. Während dies scheinbar eine verminderte X-Y-Stabilität des Isolators bereitstellt, im Hinblick auf die Separatoren, die separat und getrennt sind von den Schichten, z.B. nicht mit diesen verbunden oder an diesen ausgebildet sind, so ist dies überraschenderweise nicht der Fall. Die Kontaktbereiche, welche jeweils klein sind, treten häufig auf, und die resultierende Reibung zwischen den separaten und getrennten Separatoren und den Schichten ist groß, was eine gute X-Y-Stabilität bewirkt.
Es müssen nicht alle der Schichten, welche in dem Isolator eingesetzt werden, um denselben Abstand voneinander beabstandet sein wie die anderen Schichten, und mindestens zwei benachbarte Schichten können voneinander um einen unterschiedlichen Abstand zu zwei anderen benachbarten Schichten beabstandet sein, wie dies durch die Abstände 81 und 82 in 2 dargestellt ist.
Wie oben festgestellt, kann der Wärmeschild 1 für bestimmte Anwendungen, zum Beispiel wenn der Isolator ausgebildet ist, um eine Wärmequelle 90 (siehe 8) unter einem Automobil von einem anderen Teil 91 des Automobils zu isolieren, in Form eines komplex konfigurierten Wärmeschildes vorliegen, wie in 8 gezeigt, zum Beispiel wo die Wärmequelle Teil eines Abgassystems, allgemein 92, eines Automobils bildet, wie wiederum in 8 dargestellt. In einer derartigen Konfiguration ist es, wie oben erläutert, wichtig, dass die Kompressionsstärke in Z-Richtung des gestrickten Gewebes ausreichend ist, um eine erhebliche Kompression in Z-Richtung des Isolators zu verhindern, wenn übliche Straßengefahren darauf einwirken. Dies muss erreicht werden, während gleichzeitig eine Wärmeübertragung durch den Isolator in der Z-Richtung (transversalen Richtung), entweder durch Wärmeübertragung durch Wärmeleitung oder durch Konvektion, begrenzt wird, wie dies oben erläutert wurde. Die Fähigkeit des vorliegenden gestrickten Gewebes, diese Ergebnisse zu erzielen, lässt sich am besten verstehen unter Bezugnahme auf 4.
Wie in dieser Figur dargestellt ist, wird eine Schleife 25 des gestrickten Gewebe-Separators 2 allgemein von der ebenen Fläche des gestrickten Gewebes vorstehen und eine dünne metallische Schicht 3 in einem tangentialen Bereich oder Kontaktbereich 27 kontaktieren. Lediglich an diesem tangentialen Bereich oder Kontaktbereich 27 kann Wärme durch Wärmeleitung von der Schicht 3 durch den tangentialen Bereich oder Kontaktbereich 27 die Drahtschleife 25, die Drahtschleife 28 und den tangentialen Bereich oder Kontaktbereich 29 übertragen werden auf die nächste darunterliegende dünne metallische Schicht 4. Somit sind diese tangentialen Bereiche oder Kontaktbereiche 27 und 29 der limitierende Faktor in einer derartigen Wärmeleitung. Wenn die Fläche dieser Kontaktbereiche klein gehalten wird über einen kleinen Bogen 26 der Schleife 25, so wird die Fläche für die Wärmeleitung vermindert. Auf der anderen Seite wird die Wärmeleitung größer sein, wenn der Bogen 26 der Schleife 28 größer ist, wie dies durch den Kontaktbereich 29 gezeigt ist. Aus diesem Grund haben, wie oben festgestellt, die Schleifen des gestrickten Metalldraht-Gewebes an den äußersten Enden 22 Bögen 26 mit einem allgemeinen Radius von sehr kleinen Dimensionen. Diese kleineren Radien erzeugen kleinere tangentiale Bereiche oder Kontaktbereiche 27 und 29 für einen Kontakt zwischen den dünnen metallischen Schichten 3, 4. Indem der Radius der Schleifen klein gehalten wird, wird die kummulative tangentiale Fläche oder Kontaktfläche aller dieser Schleifen des gestrickten Gewebes, welche eine benachbarte dünne metallische Schicht kontaktieren, immer noch relativ klein sein, zum Beispiel erheblich unter 30 %, zum Beispiel 150 oder weniger, und dies ist ein vergleichsweise erstaunliches Resultat, insbesondere im Gegensatz zu dem Resultat mit einem gewobenen Material, wie es in dem Rhudy-Patent eingesetzt wird, und wie es oben beschrieben wurde. Dies liegt daran, dass der Radius eines Bogens der Fäden eines gewobenen Materials, seien es Kett- oder Schussfäden, erheblich größer ist als der Radius eines Bogens gemäß der vorliegenden nicht-gewobenen gestrickten Gewebe-Separatoren, und dass dementsprechend die tangentiale Fläche oder Kontaktfläche zwischen einem gewobenen Material, wie beispielsweise dem gewobenen Material des Rhudy-Patents, immer noch eine erhebliche kummulative tangentiale Fläche oder Kontaktfläche für eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung bereitstellt. Aus demselben Grund ist die gesamte kummulative Kontaktfläche der Vertiefungen der Patente von Sheridan et al., während diese Vertiefungen erheblich weniger sind als die Schleifen des vorliegenden gestrickten Separators, immer noch größer als die gesamte Kontaktfläche des gestrickten Gewebe-Separators, und daher ist die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in der vorliegenden Anordnung immer noch erheblich geringer als die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in der Anordnung der Patente von Sheridan et al.
Entsprechend lässt sich erkennen, dass die Verwendung des gestrickten Gewebes gemäß der vorliegenden Erfindung die Schwierigkeiten eines gewobenen Materials, gemäß dem Rhudy-Patent, oder den Vertiefungen gemäß den Patenten von Sheridan et al. vermeidet.
Es lässt sich auch erkennen, dass die Schleifen des gestrickten Gewebes, im Gegensatz zu den vergleichsweise großen Vertiefungen der Patente von Sheridan et al. geringere Luftströme zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten erlauben, und dementsprechend eine Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen den Schichten erheblich reduzieren. Somit ist das gestrickte Gewebe ein erheblich verbessertes Gewebe für die Begrenzung von Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Konvektion zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten, eine Wärmeübertragung, welche soweit wie möglich vermieden werden muss, wobei jedoch zusätzlich das gestrickte Gewebe eine sehr erhebliche Stärke in Z-Richtung bereitstellt, wie oben kurz dargestellt wurde.
Bezüglich des letzteren ist, wie sich aus 2 erkennen lässt, der gestrickte Metalldraht-Gewebe-Separator 2 zwischen benachbarten dünnen metallischen Schichten 3, 4, 5, 6 und 7 angeordnet. Wie oben erläutert wurde, existiert, während die Schleifen des gestrickten Gewebe-Separators kleine tangentiale Bereiche oder Kontaktbereiche (27 und 29 in 4) aufweisen, eine große Anzahl derartiger Schleifen, welche benachbarte dünne metallische Schichten kontaktieren. Dies entspricht analog einer Vielzahl an kleinen Trägerpunkten, welche benachbarte Schichten voneinander beabstanden, welche aber in Summe eine erhebliche Unterstützung zum Aufrechterhalten dieser beabstandeten Beziehung bereitstellen, sogar wenn eine erhebliche Spannung auf den Isolator in Z-Richtung aufgebracht wird.
Diese Spannung könnte unter anderem ein Resultat einer Straßengefahr für ein Automobil sein (zum Beispiel ein geworfener Stein, Straßendreck oder Ähnliches) oder könnte ein Ungeschick eines Mechanikers, der unter dem Automobil arbeitet, sein, und welcher unabsichtlich an den Isolator anstößt und eine Spannung in Z-Richtung verursacht. Zusätzlich könnte diese Spannung durch die Ausbildung einer komplexen Kontur des Isolators verursacht sein, im Rahmen eines üblichen Biegens oder eines Formgebungsschrittes, um eine Form eines Wärmeschildes für ein Automobil zu erzeugen, etwa in der Art, wie es in den 1A und 8 dargestellt ist. Diese Arten von Spannungen in Z-Richtung können ernsthafte Verbeulung, Verkrumpelung oder Verbiegung des Isolators verursachen, und wenn dies auftritt, so bewegen sich die dünnen metallischen Schichten sehr nahe aufeinander zu oder berühren sich sogar, und dies resultiert natürlich in einer erheblich erhöhten Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in Z-Richtung durch den Isolator, was natürlich soweit wie möglich vermieden werden sollte.
Mittels des vorliegenden gestrickten Gewebes jedoch sind die dünnen metallischen Schichten derart durch das gestrickte Gewebe unterstützt, dass die Schichten nicht eingebeult oder auf andere Weise unzulässig gespannt werden, im Gegensatz zu der vertieften Anordnung gemäß den Patenten von Sheridan et al. Zusätzlich erlaubt dies, da der gestrickte Gewebe-Separator erhebliche Säulen-(Kompressions-)Belastungskapazitäten aufweist, dass der Isolator in komplexe Formen gebracht wird, ohne dass der Isolator sich wesentlich aufbuckelt, krümmt oder einbeult, was wiederum die oben erwähnte Wärmeübertragung vergrößern würde. Weiterhin kann sich, da ein Gestrick inhärent im Wesentlichen volle Freiheitsgrade in den X- und Y-Richtungen (planaren Richtungen) davon aufweist, das Gestrick in beide dieser Richtungen dehnen oder zusammenstauchen, da es getrennt und unabhängig ist von den Schichten (die nicht angebunden sind), und dies vereinfacht die Formung des Isolators in sehr komplexe Formen erheblich, ohne dass sich der Isolator krümmt, aufbuckelt oder einbeult.
Alle die oben genannten Eigenschaften sind überraschend, insbesondere wenn man die zusätzliche Eigenschaft in Betracht zieht, dass der gestrickte Gewebe-Separator die Isolationseigenschaften des Isolators verbessert.
Die Verwendung des gestrickten Gewebe-Separators stellt auch sehr wichtige Vorteile hinsichtlich der Konstruktion des Isolators bereit. Im Gegensatz zu den Patenten von Sheridan et al., in welchen Vertiefungen in den dünnen metallischen Schichten erforderlich sind, sind bei der vorliegenden Erfindung keine derartigen Vertiefungen erforderlich, und auf die komplexe und komplizierte Maschinerie zur Ausbildung der Vertiefungen gemäß den Patenten von Sheridan et al. kann vollständig verzichtet werden. Entsprechend erfordern die Schichten mit den Vertiefungen gemäß den Patenten von Sheridan et al. eine besondere Handhabung zum Zusammensetzen der Schichten mit den Vertiefungen, optional mit Schichten, die keine Vertiefungen aufweisen, wobei jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung der gestrickte Gewebe-Separator einfach auf die dünnen metallischen Schichten gelegt werden kann, ohne irgendeine besondere Vorsicht beim Auflegen, und der Isolator kann gebildet werden durch Schließen der äußeren Kanten (insgesamt oder teilweise) mittels üblicher Herstellungsverfahren, zum Beispiel Crimpen oder Schweißen oder eine Kombination davon. Weiterhin ist keine besondere Vorsicht erforderlich beim Formen des Isolators zu komplexen Konfigurationen, da bei dem vorliegenden gestrickten Gewebe diese komplexen Konfigurationen erreicht werden können, ohne Angst einer Verursachung einer unzulässigen Spannung in Z-Richtung, und die damit verbundenen Schwierigkeiten, zum Beispiel einem Aufbuckeln, einem Verbiegen oder Ähnlichem.
Der gestrickte Metalldraht-Gewebe-Separator ist kommerziell erhältlich, und die dünnen metallischen Schichten sind selbstverständlich leicht kommerziell erhältlich. Entsprechend ist das Verfahren zur Herstellung der vorliegenden Isolatoren sehr einfach. Alles was erforderlich ist, ist das Auflegen einer dünnen metallischen Schicht auf einen Träger, Überlappen dieser dünnen metallischen Schicht mit dem gestrickten Gewebe-Separator und ein Wiederholen dieses Prozesses, solange, bis die gewünschte Anzahl dünner metallischer Schichten und gestrickter Gewebe-Separatoren bereitgestellt ist. Diese Anordnung wird dann zurechtgeschnitten und in einen konventionellen Crimper oder Ähnlichem platziert, um die äußeren Kanten zu crimpen (die gesamte äußere Kante oder einen Teil davon) und diese Kante kann, wenn dies gewünscht ist, auch geschweißt werden, zum Beispiel punktgeschweißt, mit einer konventionellen Punktschweißmaschine, für eine zusätzliche Sicherheit des Isolators. Wenn der Isolator spezielle Konturen erfordert, so können diese Konturen einfach durch ein Platzieren des derart gebildeten Isolators in einer Pressform/Presse erreicht werden, um den Isolator in die komplexe Konfiguration auszuformen. Da die dünnen metallischen Schichten immer noch biegsam sind und da das Gestrick, wie oben erläutert, Freiheitsgrade in den X- und Y-Richtungen aufweist und einen erheblichen Freiheitsgrad in der Z-Richtung, muss dieser Pressform/Pressen-Vorgang nicht mit irgendeiner Beheizung durchgeführt werden und kann ein kalter Formgebungsvorgang sein. Wenn es gewünscht ist, können die obersten und untersten dünnen metallischen Schichten ein Muster von leichten oder starken Ritzlinien 11 (siehe die 1A und 1B) konventioneller Natur aufweisen, um eine derartige Formgebung zu erleichtern.
Im Wesentlichen ist die gesamte oben aufgeführte Diskussion hinsichtlich der Ausführungsform des gestrickten Gewebe-Separators in gleicher Weise anwendbar auf das Ausführungsbeispiel des Separators mit der gebogenen, ausgedehnten Folie, und wird aus Gründen der Knappheit nicht wiederholt. Das Ausführungsbeispiel des Separators mit der gebogenen, ausgedehnten Folie ist in den 5A und 5B dargestellt. Während das Ausführungsbeispiel des Separators mit der ausgedehnten Folie keine so gute Steifigkeit in Z-Richtung aufweist wie das Ausführungsbeispiel mit dem gestrickten Gewebe und in dieser Hinsicht nicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für allgemeine Anwendungen des Isolators ist, hat das Ausführungsbeispiel mit der ausgedehnten Folie Vorteile für die spezielle Anwendung eines Automobil-Wärmeschildes, zum Beispiel in der Nähe eines Abgassystems desselben, und ist in dieser Hinsicht das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Separators für eine derartige Anwendung.
In letzterer Hinsicht ist zunächst die ausgedehnte Folie kostengünstiger und leichtgewichtiger als das gestrickte Gewebe, und beide diese Ausführungen sind wichtig für eine Automobilanwendung des Isolators. Zusätzlich müssen für den Einsatz als Wärmeschild im Abgassystem die äußeren Kanten (siehe 1A und 2) ausreichend in der Nähe der zusammengepressten Bereiche 20 versiegelt sein, um im Wesentlichen ein Austreten von Feuchtigkeit zu verhindern, wie oben dargestellt wurde. Wenn das gestrickte Gewebe als Separator eingesetzt wird und wenn dieses sich im Wesentlichen entlang der dünnen metallischen Schichten erstreckt, ist es schwierig, eine vollständig zuverlässige Versiegelung an diesen äußeren Kanten durch ein konventionelles Pressverfahren zu erzeugen, d. h. ein konventionelles Crimp-Verfahren, aufgrund der Schwierigkeit, das gestrickte Gewebe vollständig zusammenzupressen, um eine derartige Versiegelung zu erreichen. Daher könnten ein gewisses Schweißen, zum Beispiel Punktschweißen, oder andere Versiegelungsmittel, zum Beispiel Klammern, erforderlich sein und dies erhöht die Kosten und möglicherweise das Gewicht eines derart hergestellten Isolators, wobei beides für den Einsatz im Automobil unerwünscht ist.
Das Ausführungsbeispiel mit der ausgedehnten Folie ist jedoch an seinen Kanten leicht zusammenpressbar mittels konventioneller Pressverfahren, da dieses in der Z-Richtung auf eine im Wesentlichen Planare Konfiguration zusammendrückbar ist, im Gegensatz zu einem gestrickten Gewebe. Die Folie kann daher mittels einer derartigen konventionellen Pressmethode versiegelt werden, zum Beispiel mittels einer konventionellen „Spielzeug"-Crimp-Methode, und ist in dieser Hinsicht in ihrer Funktion im gestrickten Gewebe für ein Wärmeschild in einem Automobil-Abgassystem überlegen und daher hierfür ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
Unter Bezugnahme nunmehr auf die 5A und 5B ist der Separator mit der gebogenen ausgedehnten Folie, welche im Allgemeinen mit 45 bezeichnet wird, ein vergleichsweise neues Herstellungsverfahren und wird hergestellt durch gleichzeitiges Schneiden einer dünnen metallischen Schicht und Ausdehnen der metallischen Schicht unter Biegung um einen Winkel von ungefähr 180° derart, dass alle die X-, Y- und Z-Dimensionen größer sind als das Original, zum Beispiel 2- bis 50-fach in der X- und Y-Richtung, bis zu 200-fach oder mehr in der Z-Richtung. Die Bereiche der Schicht zwischen den Schnitten werden, wenn die Schicht ausgedehnt und gebogen wird um ungefähr 180°, zu gebogenen Bereichen, d. h. während dem Ausdehnen und Biegen, biegen sich die geschnittenen Bereiche aus der Ebene der Metallschicht heraus und erzeugen voneinander beabstandete, im Wesentlichen vertikal angeordnete Bereiche, welche miteinander durch die gebogenen geschnittenen Bereiche verbunden sind. Die vertikal angeordneten Bereiche erstrecken sich weiter von einer zentralen Ebene der gedehnten Folie als die gebogenen Bereiche. Dies ist in 5A idealisiert, wobei dort eine Vielzahl von im Allgemeinen vertikal angeordneten Bereichen 46 existieren, welche durch gebogene Bereiche 47 verbunden sind. Alle Teile der gebogenen Bereiche 47 liegen näher an einer zentralen Ebene 48 der ausgedehnten Folie als alle Teile der vertikal angeordneten Bereiche 46, und die im Allgemeinen vertikalen Bereiche 46 haben eine obere Oberfläche 49 und eine untere Oberfläche 50, welche sich jeweils weiter von der zentralen Ebene 48 aus erstrecken als die gebogenen Bereiche 47. Somit stellt eine gebogene ausgedehnte metallische Folie inherent Kontaktbereiche bereit, wie dies durch die Pfeile 52 angedeutet ist (die oberen und unteren Teile der vertikalen Bereiche 50), welche Kontaktoberflächen haben, die gleich zu den oben beschriebenen sind, in Verbindung mit den verallgemeinerten Ausführungsbeispielen der 10, 11 und 12. Wie sich leicht erkennen lässt, sind die offene Struktur und, somit, die kumulative Kontaktoberfläche der Kontaktbereiche 52 klein im Vergleich mit der planaren Fläche 48, wie dies oben in Verbindung mit den verallgemeinerten Ausführungsbeispielen der 10, 11 und 12 gefordert wurde, und sind tatsächlich erheblich kleiner als 30 % dieser planaren Oberfläche, d. h. kleiner als 1 %. In dem Ausführungsbeispiel des folgenden Beispiels beträgt die Oberfläche lediglich 0,3 %. Es lässt sich auch erkennen, dass die Kontaktbereiche 52 voneinander beabstandet sind und somit dieselben voneinander beabstandeten Kontaktoberflächen bereitstellen, wie dies auch von den verallgemeinerten Ausführungsbeispielen gefordert wird. In gleicher Weise sind die Kontaktbereiche auf den oberen und unteren Oberflächen voneinander beabstandet um eine erhebliche Dimension in Z-Richtung und sind verbunden durch Verbinder in Z-Richtung, d. h. den Hauptkörper der vertikalen Bereiche 50, und ertragen eine erhebliche Kompressionsbelastung. Auch ist jeder Kontaktbereich (vertikaler Bereich 50) mit einem anderen Kontaktbereich verbunden durch X- und/oder Y-Verbinder, d. h. gebogene Bereiche 47, welche, wenn diese als Separator eingesetzt werden, die dünnen metallischen Schichten nicht wesentlich kontaktieren.
Somit erfüllt die gebogene, ausgedehnte Folie alle Anforderungen, die oben in Verbindung mit den verallgemeinerten Ausführungsbeispielen erläutert wurden, ist jedoch leichtgewichtig, kostengünstig und an den umlaufenden Kanten versiegelbar, was diese ideal für den Einsatz einer Bereitstellung des Wärmeschildes für ein Automobilabgassystem macht.
Aus dem oben Gesagten lässt sich erkennen, dass die vorliegenden offenen Separatoren mit erheblicher Ausdehnung in Z-Richtung in den vorliegenden Isolatoren gut funktionieren können. In dieser Hinsicht sollten die Separatoren vorzugsweise eine Dimension in Z-Richtung mit einem Verhältnis von mindestens 0,10 zu einer ebenen Einheitsfläche aufweisen, vorzugsweise 0,15, und noch mehr bevorzugt 0,20, und bis hinauf zu 0,5 oder mehr. Beispielsweise sollte bei einer planaren Einheitsfläche von 1 cm² die Dimension in Z-Richtung mindestens 0,1 cm betragen, d. h. ein Verhältnis von 0,1. Dies, in Verbindung damit, dass die Kontaktoberfläche weniger als 30 % einer planaren Fläche des Separators beträgt (was die offene Konfiguration kennzeichnet), wie oben erläutert, und insbesondere letzteres, stellen die verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften des vorliegenden Isolators bereit, wie dies durch das folgende Beispiel dargelegt wird. In der Ausführungsform mit der ausgedehnten Folie ist die Erhöhung in Z-Richtung im Vergleich mit der nicht-ausgedehnten Metallfolie sehr groß, zum Beispiel kann die Z-Richtungsausdehnung leicht das 190-fache oder mehr zum Beispiel einer nicht-ausgedehnten Metallschicht von 0,0508 mm (0,002 Zoll) betragen, hin zu einer ausgedehnten Schicht von 9,525 mm (0,375 Zoll).
Die Erfindung wird nun dargestellt durch das folgende Beispiel, wobei jedoch darauf hingewiesen sei, dass die Erfindung nicht auf das illustrative Beispiel beschränkt ist, sondern sich im Umfang der vorgenannten Offenbarung erstreckt. In dem Beispiel, wie auch in der Beschreibung und den Ansprüchen, sind alle Prozentzahlen und Teilangaben gewichtsbezogen, wenn es nicht anders beschrieben ist.
Beispiel
Ein Wärmeschild für ein Automobil-Abgassystem wurde hergestellt, indem eine untere dünne metallische Schicht einer Aluminiumfolie von 0,0508 mm (0,002 Zoll) Dicke ausgelegt wurde. Das Aluminium war ein glänzender Qualitätsgrad einer 1145 Aluminium-Legierung mit einer 1/4-Harttemperierung, und es befand sich ein Diamantenmuster in Form einer leichten Ritzung von 19,05 mm × 6,35 mm (0,75 Zoll × 0,25 Zoll) auf dessen Oberfläche. Gebogene ausgedehnte Aluminiumfolie von 0,0508 mm (0,002 Zoll) Originaldicke und ungefähr 9,525 mm (3/8 Zoll) Enddicke, mit einem Z-Richtungsverhältnis von ungefähr 0,15 und einer Dichte von 105,94 g/m³ (3 g pro Kubikfuß) wurde auf die unterste Schicht gelegt. Zusätzliche Schichten von Schichtmaterial und ausgedehnter Folie wurden auch ausgelegt, und zuletzt wurde eine oberste dünne metallische Schicht darauf angeordnet, wobei die oberste metallische Schicht dieselbe war wie die unterste Schicht, mit Ausnahme dessen, dass sie eine Dicke von 0,1016 mm (0,004 Zoll) hatte.
Die derart angeordneten Schichten wurden gleichzeitig mittels Stahl-Schneideisen mit Maßstab (steel rule trim dies) geschnitten auf ungefähr die gewünschten Größen. Die äußere Kante von einem Zoll der Schneideisenanordnung wurde abgeplattet zum Zwecke des Crimpens und Faltens, und die Anordnung wurde gecrimpt in einem „Spielzeug-Kräuselungs"-Crimper (toy curl), derart, dass 6,35 bis 12,7 mm (1/4 bis 1/2 Zoll) der äußeren Kante nach unten gebogen wurden, hin zur untersten Schicht, unter Verwendung von 3 HIT-Locheisen (Generalizer Tool & Die Co., Greensboro, Ohio), um die äußeren Kanten zu versiegeln.
In Tests wurden Wärmeschilde hergestellt, die verschiedene Anzahlen derartiger Schichten aufwiesen. Die Testschilde wurden seriell in eine Wärmebox mit 211011,2 Kilojoule/h (200000 BTU/h) platziert. Ein Schweißbrennergenerator, der ein Rohr von 57,15 mm (2,25 Zoll) heizte (um ein Abgasrohr eines Automobils zu simulieren) und eine simulierte Unterbodengruppe eines Automobils (20er Maß Stahlblech) wurde ungefähr 1 Zoll von dem Rohr entfernt angeordnet. Ein Lüfter simulierte einen Luftstrom über die Testanordnung (was ein sich bewegendes Automobil simuliert). Jede Testprobe wurde zwischen das Rohr und die Unterbodengruppe platziert, und das Rohr wurde für 30 Minuten auf 537,8 °C ± 6,67 °C (1000 °F ± 20 °F) erhitzt und mit einer Windgeschwindigkeit (durch den Lüfter) von 60,96 Metern min (200 Fuß/min). Dann wurde die Rohrtemperatur erhöht auf 565,6 °C ± 6,67 °C (1050 °F ± 20 °F) für 15 Minuten und mit einer Windgeschwindigkeit von 36,58 Metern/min (120 Fuß/min). Schließlich wurden die Hitze und der Lüfter ausgeschaltet, und der Testanordnung wurde in der Wärmebox eine Einwirkzeit von 45 Minuten gegeben.
Derselbe Test, wie oben genannt, wurde auch mit einem Wärmeschild durchgeführt, der vom Inhaber der und gemäß den Patenten von Sheridan et al. hergestellt wurde, welcher anstelle der vorliegenden ausgedehnten Folie Vertiefungen einsetzt, um die dünnen metallischen Schichten zu trennen.
In allen Tests wurde die Temperatur der Unterbodengruppe oder der äußeren Oberfläche (Haut) des Wärmeschildes bestimmt.
14 zeigt die Resultate der vorliegenden Anordnung, welche 10 Lagen dünner metallischer Schichten und 9 Lagen ausgedehnter Folie aufweist, genannt „Erfindung", und verglichen mit einem 10-lagigen Ausführungsbeispiel der Patente von Sheridan et al., genannt „Vergleich". Wie sich aus 14 erkennen lässt, war die maximale Temperatur der Unterbodengruppe gemäß der Anordnung der Erfindung ungefähr 143,3 °C (290 °F), wohingegen die maximale Temperatur der Unterbodengruppe der Vergleichsanordnung ungefähr 171,1 °C (340 °F) betrug, d. h. die Anordnung gemäß der Erfindung verringert die Wärmeübertragung um ungefähr 32 %.
15 zeigt die Temperatur der äußeren Schicht eines ähnlichen Tests, mit Ausnahme dessen, dass die Einwirkzeit weggelassen wurde und dass die Wärme kontinuierlich auf 565,6 °C ± 6,67 °C (1050 °F ± 20 °F) gehalten wurde, für eine Anordnung von 6 Lagen sowohl bei der Anordnung gemäß der Erfindung als auch der Vergleichsanordnung für Proben von 0,3048 Metern × 0,3048 Metern (12 Zoll × 12 Zoll). Es lässt sich erkennen, dass die Anordnung gemäß der Erfindung die Temperaturen der äußeren Schichten im Durchschnitt um 14 % reduzierte.
16 zeigt Unterbodentemperaturen eines ähnlichen Tests, jedoch mit 6 Lagen, 5 Lagen und 4 Lagen bei der Anordnung gemäß der Erfindung. Es lässt sich erkennen, dass die Temperaturprofile ähnlich sind, dass jedoch die Unterbodentemperatur im Durchschnitt um 7,78 °C (18 °F) für jede zusätzliche Lage sinkt.
Zusätzlich wurden Kompressionsstärken in Z-Richtung bei den Proben gemäß der Erfindung und gemäß dem Vergleich in 15 gemessen. In dem Test wird ein Penetrationsmesser mit einem Fuß mit einem Durchmesser von 1 Zoll belastet mit zunehmenden Gewichten, und es wird der Probe ermöglicht, sich in der Z-Richtung zusammenzudrücken. Die resultierende Dicke der Probe wird bei jedem Gewichtsinkrement aufgenommen.
Wie sich aus 17 erkennen lässt, war die anfängliche Dicke der Probe gemäß der Erfindung (6 Lagen) 10,4 mm (0,410 Zoll), wohingegen die Dicke der Vergleichsprobe (6 Lagen) 7,87 mm (0,310 Zoll) betrug, was ein Ergebnis der vorliegenden größeren Z-Richtungs-Dimension der vorliegenden Separatoren mit gedehnten Folien ist. Bei Anwendung von 85 Gramm (3 Unzen) an Gewicht wurde die Probe gemäß der Erfindung auf 9,6 mm (0,378 Zoll, 7,8 %) komprimiert, wohingegen bei demselben Gewicht die Vergleichsprobe auf 5,97 mm (0,235 Zoll, 24 %) komprimiert wurde. Beide Proben wurden danach schrittweise durch eine Belastung auf ein Gesamtgewicht von 1200 Gramm (42 Unzen) komprimiert. Dieser Teil des Tests simuliert Straßengefahren, zum Beispiel Steine, die in den Wärmeschild eines Automobils bei verschiedenen Geschwindigkeiten oder mit verschiedenen Gewichten geworfen werden. Es lässt sich daher erkennen, dass die erfindungsgemäße Probe der Vergleichsprobe in dieser Hinsicht sehr überlegen ist.
Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dass der letzte Kompressionstest die Last auf 3286 Gramm (115 Unzen, 7,2 Pfund) erhöhte, was ein mögliches Missgeschick eines Mechanikers simuliert, der unter einem Automobil und in der Nähe des Wärmeschildes arbeitet. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Probe von 7,6 mm auf 7,06 mm (von 0,301 Zoll auf 0,278 Zoll, 7,6 %) komprimiert wurde, wohingegen die Vergleichsprobe von ungefähr 5,28 mm auf 4,52 mm (von 0,208 Zoll auf 0,178 Zoll, 14,4 %) komprimiert wurde.
Es lässt sich daher erkennen, dass die Erfindung eine Abnahme um 32 % in der Wärmeübertragung bereitstellt, eine Abnahme in der Temperatur der äußeren Schicht von 14 % und eine sehr signifikante Erhöhung der Kompressionsstärke in Z-Richtung. Resultate dieser Art stellen einen erheblich verbesserten metallischen Wärmeisolator bereit.
Die Erfindung wird in den angehängten Ansprüchen weiter ausgeführt, wobei jedoch leicht einsehbar ist, dass die Erfindung viele offensichtliche Variationen zulässt und die Ansprüche sollen derartige Variationen innerhalb ihres Schutzbereiches einschließen.

Claims

In einem allgemein ausgedehnten, dünnen Metallschicht-Wärmeisolator, welcher mindestens zwei allgemein ausgedehnte, dünne Metallschichten umfasst, die allgemein einer über dem anderen in beabstandeter Beziehung angeordnet sind, und einen dazwischenliegenden Metallseparator, welcher beide Schichten kontaktiert, um die beabstandete Beziehung aufrechtzuerhalten, umfasst die Verbesserung: Einen nicht-gewebten, im Wesentlichen offenen Metallseparator, welcher nicht permanent mit den Schichten verbunden ist oder Teil derselben ist und welcher eine erhebliche Z-Richtungs-Dimension aufweist und welcher im Wesentlichen parallele obere und untere Kontaktflächen hat, die in Z-Richtung beabstandet sind; wobei der Separator in Form einer gebogenen ausgedehnten Metallfolie vorliegt, welche voneinander beabstandete, im Wesentlichen vertikal angeordnete Bereiche aufweist und geschnittene, gebogene Bereiche, welche die vertikal angeordneten Bereiche verbinden, und wobei sich die vertikal angeordneten Bereiche weiter von einer zentralen Ebene der Folie aus erstrecken als die gebogenen Bereiche, derart, dass die gebogenen Bereiche die dünnen Metallschichten nicht wesentlich kontaktieren und dass die obere Kontaktfläche und eine untere Kontaktfläche, welche von den vertikal angeordneten Bereichen gebildet wird, Kontaktflächen-Oberflächen von weniger als 30 % einer planaren Fläche des Separators parallel zur X- und Y-Dimension des Separators aufweisen.
Der metallische Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die dünnen Metallschichten eine Dicke von 0,0127 mm bis 0,762 mm (0,0005 Zoll bis 0,030 Zoll) aufweisen.
Der metallische Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die Schichten ein Verhältnis von Oberfläche zu Dicke von mindestens 1000 : 1 aufweisen.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die Kontaktflächen-Oberfläche geringer ist als 1 % der planaren Fläche.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei das Metall der Schichten ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze und Zinn.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die Metallschichten eine darauf aufgebrachte Metallbeschichtung aufweisen.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 6, wobei die Metallbeschichtung eine Anti-Korrosions-Beschichtung ist.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die Schichten um mindestens 0,508 mm (0,020 Zoll) voneinander beabstandet sind.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Z-Dimension zu einer planaren Einheitsfläche mindestens 0,10 beträgt.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die Metallschichten eine glänzende Oberfläche mit einem geringen thermischen Emissionsvermögen aufweisen.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 10, wobei das Emissionsvermögen geringer ist als 0,1.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 4, wobei der Separator hergestellt ist aus einem Metall, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze und Zinn.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 12, wobei das Metall eine darauf aufgebrachte Beschichtung aufweist.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei der Separator gecrimpt ist.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei der Separator sich im Wesentlichen mit einer der Schichten gemeinsam erstreckt.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei mehr als zwei Schichten vorgesehen sind.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei die äußeren Kanten der Schichten in Kontakt miteinander und mit dem Separator sind.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei zwei oder mehr Schichten des Separators zwischen benachbarten Schichten vorgesehen sind.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 1, wobei der metallische Wärmeisolator ausgestaltet ist, um eine Wärmequelle unterhalb des Körpers eines Automobils von einem anderen Teil des Automobils zu isolieren.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 19, wobei die Wärmequelle zumindest ein Teil des Abgassystems des Automobils ist.
Metallischer Wärmeisolator gemäß Anspruch 20, wobei die Kompressionsfestigkeit des Separators in Z-Richtung ausreichend ist, um eine erhebliche Kompression in Z-Richtung des Isolators bei einem Aufprall üblicher Straßen-Gefahren zu verhindern.