DE69921621T2

DE69921621T2 - Wärmedämmendes Material, dieses Material verwendende elektrische Heizeinheit, und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69921621T2
Application number: DE69921621T
Authority: DE
Inventors: Koichi Tenri-shi Kitamura; Masaaki Gose-shi Ueda; Hiroyuki Tenri-shi Hanaya
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-08-27
Also published as: CN1163344C; DE69921621D1; EP1059500B1; TW438959B; KR20010005479A; EP1059500A1; US6150643A; CN1276291A; KR100566764B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft wärmedämmendes Material und eine dieses Material verwendende, elektrische Heizeinheit, die in Heizvorrichtungen, wie verschiedenen Arten von Industrieöfen und Versuchsöfen, verwendet wird, und ein Herstellungsverfahren dafür.
Wärmedämmendes Material aus vakuumgeformten Keramikfasern hat einen hohen wärmedämmenden Gebrauchswert, ist leicht und kann auch in beliebigen Formen gestaltet werden. Des Weiteren hat dieses wärmedämmende Material eine ausreichende Festigkeit und ist leicht zu handhaben, wobei eine Nachbehandlung ebenso einfach ist. Dieses Material wurde wirksam eingesetzt, um den Verlust von Wärmeenergie von Ofenwänden zu verbessern. Es sind auch elektrische Heizeinheiten bekannt, die dieses wärmedämmende Material verwenden. Die Druckschrift US-A-3 500 444 offenbart zum Beispiel ein Verfahren zum ökonomischen Herstellen einer elektrischen Heizeinheit durch Einbetten des Heizelements in der Nähe einer Fläche aus solchem wärmedämmenden Material. Außerdem offenbart US-A-4 575 619 eine ausgefugte, elektrische Heizeinheit, die ein schlangenförmiges Heizelement mit verbesserten Wärmestrahlungseigenschaften aufweist.
Diese elektrischen Heizeinheiten haben die Vorteile, dass sie in beliebigen Formen ausgebildet sein können und sie haben den gleichen überragenden, wärmedämmenden Gebrauchswert wie das oben erwähnte, wärmedämmende Material selbst, aus dem sie gebildet sind. Darüber hinaus haben sie den Vorteil einer ausreichenden mechanischen Festigkeit, so dass sie allein Ofenwände bilden können. Folglich wird es möglich, die Arbeiten beim Aufbau eines Ofens außerordentliche zu verringern und damit außerordentlich zu den Kostensenkungen von energieerhaltenden Öfen beizutragen, da es einfach ist, einen Ofen mittels dieser Vorteile in einer entsprechenden Kombination zusammenzusetzen. Die Druckschrift FR-A-2 529 541 offenbart einen Verbundaufbau, der wenigstens zwei Teile aufweist, die aus unterschiedlichen Fasermaterialien gefertigt sind, wobei das erste Fasermaterial ein gewöhnliches Fasermaterial wie keramische oder mineralische, wärmebeständige oder feuerfeste Fasern in Streifen-, Platten- oder einer pressformartigen Form und das zweite Fasermaterial von höherer mechanischer Festigkeit ist, gekennzeichnet dadurch, dass das zweite Fasermaterial a) aus einem Gemisch von einhundert pts.wt. keramischen Fasern oder Fasergemischen, 4 bis 15 pts.wt. Lehm und 2 bis 8 pts.wt. organischen Bindemitteln vorbereitet ist und b) die Form von wenigstens einer überzogenen oder gegossenen Schicht oder Steppform in dem Verbundaufbau hat.
Seitdem wurde der Wirtschaftsbereich wegen der wachsenden Beachtung der globalen Umweltprobleme jedoch immer strenger beim Verringern von Umweltbelastungen. Diese Probleme wurden offenkundig, wobei deren Lösung eine Frage für alle Menschen ist. Es ist daher eine bedeutende Aufgabe, die Öfen viel energieeffizienter zu errichten.
Inzwischen hat das unersättliche Streben nach einem verbesserten wärmedämmenden Gebrauchswert die Aufmerksamkeit auf die Eigenschaften von mikroporösem Material wie Siliziumoxid-Aerogel gezogen, insbesondere mit seinem mikrosphärischen Aufbau mit einer winzigen, engen Leerstelle, die kleiner ist als die mittlere freie Weglänge des Gases. So wurde so genanntes mikroporöses, wärmedämmendes Material entwikkelt, das einen äußerst wärmedämmenden Gebrauchswert hat, d. h. die Fähigkeit die konvektive Wärmeübertragung zwischen den Hohlräumen im wärmedämmenden Material theoretisch zu beseitigen.
Zugehörige Technologien umfassen US-A-3 869 334, das zeigt, wie ein wärmedämmendes Material mit hohem Gebrauchswert, das als ein gewöhnliches, wärmedämmendes Material behandelt werden kann, durch Umschließen der Siliziumoxid-Aerogele in einem Beutel, der aus Fiberglasgewebe besteht und dem Pressformen desselben in eine flache Platte, erreicht wird. Der wärmedämmende Gebrauchswert ist als viel besser bekannt, als der einer vakuumgeformten Keramikfaser. In Folge der Errungenschaften bei den Herstellungstechnologien sind seit kurzem auch Materialien aus Siliziumoxid-Aerogelen, die direkt in Tafeln gebildet werden, erhältlich, da deren Festigkeit durch das Vermengen des Aerogels mit feuerfestem Fasermaterial oder dergleichen verbessert wurde, anstatt sie in einem oben erwähnten Beutel zu umschließen.
Diese verfügbaren, mikroporösen, wärmedämmenden Materialien, die Siliziumoxid-Aerogele oder dergleichen umfassen, sind wegen des charakteristischen Aufbaus der Siliziumoxid-Aerogele als ein grundlegendes Element, speziell einer mikrosphärischen Kapsel mit einem Hohlraum darin, im Wesentlichen schwach in der Festigkeit. Zusätzlich ist die verfügbare Dicke ebenfalls begrenzt, so dass es nicht möglich ist, Ofenwände allein damit zu errichten. Daher ist die Anwendung dieser Materialien als wärmedämmendes Material für Öfen auf Stützmaterial oder Zwischenschichten des Futtermaterials beschränkt. Während die Anwendung solcher Art die Energieerhaltung gewährleisen kann, hat dieser Einsatz die Probleme, dass sich die Arbeit beim Errichten dieser Öfen erhöht und sich die Kosten summieren. Außerdem werden diese Materialien, besonders in Form einer Tafel, leicht während des Errichtens beschädigt oder gebrochen, wobei viel teures Material vergeudet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes wärmedämmendes Material, ein Verfahren zu seiner Herstellung und in Verbindung damit eine elektrische Heizeinheit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand entsprechend der jeweiligen Ansprüche erfüllt.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme der herkömmlichen Technik zu lösen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wärmedämmendes Material mit hohem Gebrauchswert bereitzustellen, das Wärmeverluste von Ofenwänden im Vergleich zu herkömmlichen, aus keramischen Fasern gebildeten, wärmedämmenden Material außerordentlich reduzieren kann, das in einfacher und kostengünstiger Weise hergestellt werden kann und das eine ausreichende mechanische Festigkeit hat, um allein die Ofenwände mit einer einfachen Montage zu bilden, wobei weniger Arbeit zum Errichten eines Ofens erforderlich ist, eine dieses Material verwendende Heizeinheit bereitzustellen und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen.
Das die vorliegende Erfindung betreffende, wärmedämmende Material ist ein wärmedämmendes Material, das eine äußere Schicht mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern und eine Kernschicht aufweist, die darin enthalten und mit der äußeren Schicht verbunden ist. Die äußere Schicht hat eine größere mechanische Festigkeit als die Kernschicht, wobei die Kernschicht eine Zusammensetzung mit einem höheren wärmedämmenden Gebrauchswert als die äußere Schicht aufweist. Die Kernschicht erstreckt sich in einer Ebene, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Dicke des wärmedämmenden Materials liegt.
Bei der Beschaffenheit der vorliegenden Erfindung wird eine Zusammensetzung von hoher Festigkeit mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern zur äußeren Schicht. Das wärmedämmende Material ist durch diese Schicht mit einer ausreichenden Festigkeit versehen, wobei die Kernschicht ei nen höheren wärmedämmenden Gebrauchswert hat und vollständig im Inneren eingeschlossen und dadurch geschützt wird. Da sich die Kernschicht in einer Ebene erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zum Wärmefluss liegt, und mit der äußeren Schicht verbunden ist und in ihr gehalten wird, ist der wärmedämmende Gebrauchswert des wärmedämmenden Materials dem wärmedämmenden Material, das nur die Zusammensetzung aufweist, die die äußere Schicht bildet, überlegen. Dieses wärmedämmende Material kann daher wegen der Verbindung von überragenden wärmedämmenden Eigenschaften mit einer Festigkeit, die ausreichend ist, um Ofenwände zu bilden, allein Ofenwände mit einem besonders guten wärmedämmenden Gebrauchswert bilden.
Bei dem wärmedämmenden Material der vorliegenden Erfindung weist die oben erwähnte Kernschicht hauptsächlich mikroporöses, wärmedämmendes Material auf, dessen grundlegendes Element eine mikrosphärische Kapsel mit einem Hohlraum darin ist. Dadurch werden ein wärmedämmendes Material mit hoher Festigkeit und ein wärmedämmender Gebrauchswert erreicht, die viel größer sind, als die herkömmlichen, wobei dieses Material allein Ofenwände mit einem wärmedämmenden Gebrauchswert bilden kann, der deutlich höher ist als herkömmliche Wände.
Hier bedeutet mikroporöses, wärmedämmendes Material ein wärmedämmendes Material, das einen wesentlichen prozentualen Anteil an mikroporösem Material wie Siliziumoxid-Aerogel aufweist, so dass die von den Mikroporen abgeleiteten Eigenschaften im Ganzen widerspiegelt werden. Das wärmedämmende Material kann zum Beispiel 50 Prozent Gewicht oder mehr des mikroporösen Materials umfassen, wobei der Rest Materialien wie Verstärkungselemente, Trübungsmittel und Bindemittel usw. aufweist. Die vorliegende Erfindung weist mikroporöses Material, das in dem Faserglasbeutel verdichtet ist, oder ausgebildetes, mikroporöses Material, das in Form von Tafeln bereitgestellt wird, auf.
Die die vorliegende Erfindung betreffende elektrische Heizeinheit weist wärmedämmendes Material auf, das ein Heizelement stützt, von dem wenigstens ein Teil in der Nähe einer Fläche der äußeren Schicht eingebettet ist, wobei Anschlüsse zum Anlegen elektrischer Energie an das Heizelement von der davon gegenüberliegenden Fläche hervorstehen. Dieses wärmedämmende Material weist eine äußere Schicht auf, die hauptsächlich feuerfeste, anorganische Fasern aufweist, und eine Kernschicht, die mit der äußeren Schicht verbunden ist und in ihr gehalten wird. Die äußere Schicht hat eine größere mechanische Festigkeit als die Kernschicht, während die Kernschicht eine Zusammensetzung mit besseren wärmedämmenden Gebrauchswert als die äußere Schicht aufweist, wobei sich die Kernschicht in einer Ebene erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Dicke des wärmedämmenden Materials liegt.
Auf diese Weise wird die Zusammensetzung von hoher Festigkeit, die hauptsächlich aus feuerfesten, anorganischen Fasern zusammengesetzt ist, zur äußeren Schicht, die die Kernschicht mit einem höheren wärmedämmenden Gebrauchswert als diese äußere Schicht, vollkommen umschließt und schützt. Das wärmedämmende Material wird dadurch mit einer ausreichenden Festigkeit bereitgestellt. Außerdem erstreckt sich die Kernschicht in einer Ebene, die im Wesentlichen rechtwinklig zum Wärmefluss liegt, und wird in der äußeren Schicht aufgenommen, wobei der wärmedämmende Gebrauchswert des gesamten wärmedämmenden Materials dem der Zusammensetzung, die die äußere Schicht bildet, überlegen ist.
Außerdem sind das Heizelement und die Anschlüsse zum Anlegen elektrischer Energie an dieses Heizelement wenigstens teilweise in dem wärmedämmenden Material in der Nähe einer Fläche der äußeren Schicht bzw. der gegenüberliegenden Fläche eingebettet, wodurch sie in einer Lage mit ausreichender Festigkeit aufgenommen werden. Folglich kann die Heizeinheit allein äußerst wärmedämmende Ofenwände mit eingebauten Heizelementen bilden.
In der die vorliegende Erfindung betreffenden elektrischen Heizeinheit weist die Kernschicht hauptsächlich mikroporöses, wärmedämmendes Material auf. Dadurch wird eine elektrische Heizeinheit mit deutlich besseren, wärmedämmenden Gebrauchswert erreicht.
In der die vorliegende Erfindung betreffenden elektrischen Heizeinheit ist es manchmal der Fall, dass ein oder mehrere Nuten auf einer Oberfläche der äußeren Schicht ausgebildet sind, wobei wenigstens ein Teil des Heizelements in der Nähe des unteren Teils der Nut eingebettet ist und dadurch aufgenommen wird. In dem Fall wird eine elektrische Heizeinheit mit überragenden Wärmestrahlungseigenschaften sowie wärmedämmenden Eigenschafen erreicht.
Das Verfahren zur Herstellung des die vorliegende Erfindung betreffenden wärmedämmenden Materials bildet das wärmedämmende Material wie folgt: Aufbau unter Druckkraft einer ersten wärmedämmenden Schicht mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern auf eine vorgeschriebene Dicke; Ausbreiten und Positionieren auf der abgelagerten Schicht eine Kernschicht, die eine Zusammensetzung mit einem wärmedämmenden Gebrauchswert aufweist, die der ersten wärmedämmenden Schicht überlegen ist, und die Oberflächenabmessungen hat, die kleiner sind als der Oberflächenbereich der ersten abgelagerten Schicht; dann Aufbau unter Druckkraft einer zweiten wärmedämmenden Schicht mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern, um die Kernschicht in einer vorgeschriebenen Lage darin vollständig zu umschließen.
Es wird dadurch möglich, ein wärmedämmendes Material herzustellen, in dem die Kernschicht mit dem hohen wärmedämmenden Gebrauchswert in einer äußeren Schicht von hoher Fe stigkeit umschlossen ist, wobei sich jene Kernschicht in einer Ebene ausbreitet, die im Wesentlichen senkrecht zu der Dicke des wärmedämmenden Materials liegt und von der äußeren Schicht in einer vorgeschriebenen Lage aufgenommen und mit ihr verbunden ist. Dieses wärmedämmende Material hat eine mechanische Festigkeit, die ausreicht, um selbst Ofenwände zu bilden, und hat überragende wärmedämmende Eigenschaften.
In dem Verfahren zur Herstellung eines die vorliegende Erfindung betreffenden wärmedämmenden Materials ist es vorzuziehen, dass die ersten und zweiten wärmedämmenden Schichten mittels Vakuumformens aufgebaut sein sollten. Das Material kann dadurch leicht in einer beliebigen Form bei niedrigen Kosten mit hoher Qualität hergestellt werden.
In dem Verfahren zur Herstellung eines die vorliegende Erfindung betreffenden wärmedämmenden Materials ist es vorzuziehen, dass das Hauptbindemittel anorganisches kolloidales Siliziumoxid sein sollte. Dadurch können ein wärmedämmendes Material mit ausreichender Wärmebeständigkeit und -festigkeit von normalen bis hohen Temperaturen und eine elektrische Heizeinheit einfach hergestellt werden.
In dem Verfahren zur Herstellung eines die vorliegende Erfindung betreffenden Materials ist es vorzuziehen, dass eine wässrige Masse bzw. ein wässriger Schlamm verwendet werden sollte. Dann ist die Vorbereitung einfach und das Herstellungsverfahren erfordert keine besondere Lösungsbehandlung der Abprodukte, wodurch eine Produktion bei niedrigen Kosten möglich wird.
In dem Verfahren zur Herstellung eines die vorliegende Erfindung betreffenden Materials ist es vorzuziehen, dass die Kernschicht, die im Wesentlichen mikroporöses, wärmedämmendes Material aufweist, in dem Fall, in dem die ersten und zweiten wärmedämmenden Schichten aus einer wässrigen Masse ausgebildet sind, in der sich fein verteilte, feuerfeste, anorganische Fasern befinden, mit einer wasserfesten Membran darum ausgebildet sein sollte. Dadurch kann verhindert werden, dass das mikroporöse, wärmedämmende Material im Bildungsprozess mit Wasser in Kontakt kommt, wobei dies die Beschädigung des Aerogel-Aufbaus verhindert, der das mikroporöse, wärmedämmende Material bildet und der überragende wärmedämmende Gebrauchswert aufrechterhalten werden kann.
Diese wasserfeste Membran, die die Kernschicht abdeckt, kann von einer Art sein, die beim Erwärmen verschwindet oder umgekehrt wärmebeständig ist.
Im ersteren Fall kann die Membran einfach durch Erwärmen entfernt werden, wenn die wasserfeste Membran überflüssig wird, wie nach der letzten Trockenstufe, die dem Formen folgt. Im letzteren Fall kann die Membran ohne Änderung daran in dem Erzeugnis verbleiben und kann dem Einsatz bei hohen Temperaturen standhalten.
Die ersten und zweiten wärmedämmenden Schichten können aus demselben Material sein oder können gemäß bekannter Technologien unterschiedlich sein, abhängig von der Wahl, die basierend auf den Anforderungen an die Wärmebeständigkeit von jeder Schicht getroffen wurde.
Das Verfahren zur Herstellung der elektrischen Heizeinheit ist ein Verfahren, in dem das oben erwähnte Verfahren zur Herstellung des wärmedämmenden Materials so modifiziert wird, dass es das Anordnen des Heizelements an einer vorgeschriebenen Position, den Aufbau der ersten wärmedämmenden Schicht und das Einbetten wenigstens eines Teils des Heizelements an einer vorgeschriebenen Position in der Nähe der Oberfläche der ersten wärmedämmenden Schicht umfasst.
Bei dieser Zusammensetzung ist es möglich, eine elektrische Heizeinheit mit einem eingebauten Heizelement und mit einer Festigkeit herzustellen, die ausreicht, um selbst Ofenwände und einen überragenden wärmedämmenden Gebrauchswert zu bilden.
Darüber hinaus können alle bekannten Heizelemente verwendet werden, wobei es gleichgültig ist, wie sie eingebettet werden.
Es zeigen:
1 eine Übersicht über das die vorliegende Erfindung betreffende, wärmedämmende Material;
2 eine Übersicht über das Verfahren zur Herstellung des die vorliegende Erfindung betreffenden, wärmedämmenden Materials; wobei dies der Punkt ist, an dem die erste wärmedämmende Schicht aufgebaut wird;
3 eine Übersicht über das Verfahren zur Herstellung des die vorliegende Erfindung betreffenden, wärmedämmenden Materials; wobei dies der Punkt ist, an dem die zweite wärmedämmende Schicht aufgebaut wird;
4 eine Querschnittsansicht zum Erläutern der die vorliegende Erfindung betreffenden, elektrischen Heizeinheit;
5 eine Übersicht über das Verfahren zur Herstellung der die vorliegende Erfindung betreffenden, elektrischen Heizeinheit; wobei dies der Punkt ist, an dem die erste wärmedämmende Schicht aufgebaut wird;
6 eine Übersicht über das Verfahren zur Herstellung der die vorliegende Erfindung betreffenden, elektrischen Heizeinheit; wobei dies der Punkt ist, an dem die zweite wärmedämmende Schicht aufgebaut wird, und
7 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der die vorliegende Erfindung betreffenden, elektrischen Heizeinheit.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die Abbildungen erläutert. Die hier gezeigten Zeichnungen sind Näherungswerte; die relativen Größen der Teile sind nicht genau und es soll te sich in der tatsächlichen Praxis nicht darauf bezogen werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des wärmedämmenden Materials 1 der vorliegenden Erfindung.
Das wärmedämmende Material 1 weist eine äußere Schicht 2 und eine Kernschicht 3 auf, wobei die Kernschicht 3 in der äußeren Schicht eingebettet ist.
Die Oberfläche der Kernschicht 3 erstreckt sich in der xy-Ebene, die eine Ebene ist, die im Wesentlichen senkrecht zur Dicke des wärmedämmenden Materials 1 (in der Zeichnung die z-Richtung), d. h. zur Richtung des Wärmeflusses liegt, wenn das wärmedämmende Material verwendet wird.
Die äußere Schicht 2 ist eine abgelagerte Schicht, die hauptsächlich Keramikfasern aufweist, die durch Vakuumformen mittels anorganischer Bindemittel erreicht wird. Mittlerweile ist die Kernschicht 3 eine gewerblich verfügbare Tafel, aus mikroporösen, wärmedämmenden Material.
In diesem Fall hat die Kernschicht 3 einen viel besseren wärmedämmenden Gebrauchswert als die äußere Schicht 2. Die äußere Schicht 2 hat eine ausreichende mechanische Festigkeit und schützt die Kernschicht 3 und gewährleistet die Festigkeit des wärmedämmenden Materials 1 als Ganzes. Folglich kann das wärmedämmende Material allein verwendet werden, um Ofenwände zu bilden.
Das mikroporöse, wärmedämmende Material kann in der Form einer wärmedämmenden Tafel, 10–50 mm dick mit einer volumenspezifischen Schwere von 0,2–0,5, bezogen werden, die hauptsächlich Siliziumoxid-Aerogel aufweist. Daraus wird die Kernschicht 3. Die äußere Schicht 2 kann mittels eines bekannten Vakuumform-Verfahrens aus einer Masse aufgebaut werden, der durch das Verteilen von gewerblich verfügbaren, voluminösen Keramikfasern aus Aluminosilikat in Wasser und Zufügen eines kolloidalen Siliziumoxid-Bindemittels dazu vorbereitet wurde. Die volumenspezifische Schwere der äußeren Schicht 2 beträgt etwa 0,2. Dadurch kann ein wärmedämmendes Material durch vollständiges Umgeben und Verbinden der Kernschicht 3 mit der äußeren Schicht 2 hergestellt werden. Vor dem Vakuumformen wird die Kernschicht in einem Kunststoffbeutel angeordnet und vorher abgedichtet, um zu verhindern, dass es mit Wasser in Kontakt kommt. Dies wird die wasserfeste Membran 4. Wenn Siliziumoxid-Aerogel mit Wasser in Kontakt käme, würde die Mikroporenstruktur wegen der Oberflächenspannung, die während des Trocknens erzeugt wird, zerstört sein, wobei in Folge dessen die wärmedämmenden Wirkungen nicht erhalten werden könnten.
Die Vorgehensweisen des Verfahrens zur Herstellung des wärmedämmenden Materials werden mit Bezug auf 2 und 3 erläutert. In der folgenden Erläuterung wird das Material, das einem Vakuumformen unterzogen wird, die wärmedämmende Schicht genannt, wobei das Material, das vollständig ausgebildet wurde und dann getrocknet und gehärtet wurde, wärmedämmendes Material genannt wird.
Gemäß 2 ist eine erste wärmedämmende Schicht 2a in der vorgeschriebenen Dicke in der Form 5 mittels eines Vakuumform-Verfahrens aufgebaut. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Sog, speziell eine Vakuum-Ansaugkraft, nur an eine untere Siebplatte 5a angelegt. Daraus wird ein Teil der äußeren Schicht 2. Diese Schicht wird üblicherweise auf eine Dicke von 15–80 mm aufgebaut. Als Nächstes wird die Oberfläche der Kernschicht 3, deren Abmessungen etwas kleiner sind als die abgelagerte Fläche der ersten wärmedämmenden Schicht 2a, mit einer wasserfesten Membran 4 überzogen. Diese Kernschicht 3 wird an einer vorgeschriebenen Stelle auf der abgelagerten Fläche positioniert, wobei eine zweite wärmedämmende Schicht 2b mit einer vorgeschriebenen Dicke gemäß 3 wieder durch Vakuumformen ausgebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Seitensieb 5b zusätzlich zu dem unteren Sieb 5a verwendet, wobei durch diese beiden Siebe ein Sog angelegt wird. Die Aufbaudicke hier beträgt gewöhnlich 80–15 mm. Dies wird der andere Teil der äußeren Schicht 2, wobei das Gesamte, d. h. die erste wärmedämmende Schicht 2a, die Kernschicht 3 und die zweite wärmedämmende Schicht 2b zusammengepresst werden, so dass sie das wärmedämmende Material 1 bilden. Das Vakuumform-Verfahren selbst und die anschließenden Verfahren sind dem Fachmann bekannt, aber sie werden unten allgemein erörtert.
Das Vakuumformen basiert auf dem Prinzip, in dem ein Sog einen Massefluss zu den Sieben 5a, 5b in der Form erzeugt, wobei die Siebe 5a, 5b die Faserkomponenten herausfiltern, die an der Oberfläche der Form 5 aufgebaut und zusammengedrückt werden. Das Filtrat wird zurückgeführt und wieder verwendet. Die annähernde Form des wärmedämmenden Materials 1 wird während des Schlammflusses durch die Siebe 5a, 5b gebildet. Natürlich wird die äußere Form durch die verwendete Form bestimmt.
Außerdem ist an der Form 5 eine abnehmbare, obere Platte 5c angebracht. Die obere Platte 5c hat eine Öffnung in der Mitte und reguliert die Form der Seite der oberen Fläche der wärmedämmenden Schicht, die während des Vakuumformens aufgebaut wurde.
Nach dem Entfernen von der Form 5 wird die abgelagerte wärmedämmende Schicht in einem Ofen getrocknet. Nach dem Trocknen gewinnt die äußere Schicht auf Grund der Wirkung des Bindemittels eine ausreichende Festigkeit.
Als Nächstes wird die äußere Form in ihre endgültige Form bearbeitet. Die in der Endbearbeitung neu geschaffene Oberfläche wird weiterhin in eine Bindemittellösung getaucht und dann wieder getrocknet und gehärtet.
Durch die oben erwähnten Verfahren kann ein wärmedämmendes Material 1 mit einem überragenden wärmedämmenden Ge brauchswert und einer Festigkeit, die ausreicht, um selbst Ofenwände zu bilden, leicht und kostengünstig hergestellt werden.
Da es die Aufgabe ist, zu verhindern, dass die Kernschicht 3 während des oben erwähnten Formungsverfahrens mit Feuchtigkeit in Kontakt kommt, kann der als wasserfeste Membran 4 verwendete Kunststoffbeutel entfernt werden, nachdem die meiste Feuchtigkeit vom wärmedämmenden Material im letzten Trocknungsverfahren entfernt wurde. Es ist wirtschaftlich, die wasserfeste Membran 4 schrittweise durch Erhöhen der Temperatur zu entfernen, nachdem das Trocknen abgeschlossen ist.
Es wurden vergleichende Versuche durchgeführt, um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu überprüfen.
Das wärmedämmende Material entsprechend der vorliegenden Erfindung, das mit einer Kernschicht aus einer Siliziumoxid-Aerogel-Tafel mit einer Dicke von 25 mm und einer volumenspezifischen Schwere von 0,3 vorbereitet wurde, und ein getrenntes vakuumgeformtes, wärmedämmendes Material mit herkömmlichen Keramikfasern wurden verwendet, um jeweils eine getrennte Ofenwand zu bilden. Der Ofen wurde bei einer Innentemperatur von 1000°C betrieben, wobei Oberflächentemperaturen gemessen wurden, nachdem die Öfen einen stabilen Zustand erreicht haben und Wärmeverluste von den Ergebnissen der Messungen berechnet wurden. Die Versuche wurden für Ofenwanddicken von 100 mm bzw. 125 mm durchgeführt. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Ergebnisse.
Tabelle 1. Ofenwanddicke von 100 mm
Tabelle 2. Ofenwanddicke von 125 mm
Wie aus diesen Ergebnissen deutlich wird, zeigte dieser Fall Steigerungen des wärmedämmenden Gebrauchswerts von 25–30% besser als der herkömmliche Fall, ungeachtet der Dicke der wärmedämmenden Schicht und der Lage der eingebetteten Kernschicht, die die Verhältnisse der ersten und zweiten Schichten in der Zusammensetzung bedeuten. Folglich macht es das Variieren des Verhältnisses der Kernschicht zur äußeren Schicht möglich, mit der vorliegenden Erfindung einen noch besseren wärmedämmenden Gebrauchswert zu erzielen.
Zweites Ausführungsbeispiel
4 zeigt die die vorliegende Erfindung betreffende elektrische Heizeinheit 6.
In der Nähe der Oberfläche 7a, rechtwinklig zur Dicke des wärmedämmenden Materials 1, sind Heizspulen 8a eingebettet. Diese Heizspulen 8a sind im wärmedämmenden Material 1 geschützt und bilden eine elektrische Heizeinheit 6. Außerdem stehen Anschlüsse 8b zum Anlegen von Energie an die Heizspulen 8a von der gegenüberliegenden Fläche 7b in der Richtung der Dicke des wärmedämmenden Materials 1 hervor.
Das wärmedämmende Material 1 der elektrischen Heizeinheit 6 hat die gleiche Zusammensetzung wie im ersten Ausführungsbeispiel und weist eine äußere Schicht 2 und eine Kernschicht 3 auf. Hier sind die Heizspulen 8a und die Anschlüsse 8b beide in der äußeren Schicht 2 der wärmedämmenden Schicht der elektrischen Heizeinheit 6 angeordnet und geschützt. Bei einer solchen Zusammensetzung kann die die vorliegende Erfindung betreffende Heizeinheit 6 eine mechanische Festigkeit, die ausreicht, um Ofenwände selbst zu bilden, und den gleichen wärmedämmenden Gebrauchswert haben, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurden. Folglich macht es die Verwendung dieser elektrischen Heizeinheit 6 möglich, allein Ofenwände mit einem überragenden wärmedämmenden Gebrauchswert und eingebauten Heizelementen zu bilden.
Diese elektrische Heizeinheit 6 wird ebenfalls mittels eines Vakuumform-Verfahrens hergestellt. Dies wird wie folgt mit Bezug auf 5 und 6 zusammengefasst.
Gemäß 5 befinden sich die Heizspulen 8a und die Anschlüsse 8b in der gewünschten Lage in der Form 5, wobei eine erste wärmedämmende Schicht 2a auf die vorgeschriebene Dicke aufgebaut wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Dicke der ersten wärmedämmenden Schicht 2a größer als die Dicke der Heizspulen 8a. Dies bildet den Grundaufbau, in dem die erste wärmedämmende Schicht 2a die Heizspulen 8a aufnimmt.
Anschließend kann man dem Verfahren im ersten Ausführungsbeispiel folgen, aber die Anschlüsse 8b werden gemäß 6 teilweise in der zweiten wärmedämmenden Schicht 2b eingebettet, wenn die zweite wärmedämmende Schicht 2b am Ende dieser Verfahren aufgebaut wird. Dies bildet den Grund aufbau, in dem die zweite wärmedämmende Schicht 2b die Anschlüsse 8b aufnimmt. Anschließend werden genau die gleichen im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Verfahren durchgeführt. Die elektrische Heizeinheit 6 kann durch dieses Verfahren effizient und kostengünstig hergestellt werden.
Die Form des wenigstens teilweise in der ersten wärmedämmenden Schicht 2a eingebetteten Heizelements kann eine zusammengedrückte Spule, eine schlangenförmige Form oder eine andere Form, sowie die oben erwähnte Rundspulenform sein.
Drittes Ausführungsbeispiel
Dieses Ausführungsbeispiel hat vorzugsweise die in 7 gezeigte Form. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der ersten wärmedämmenden Schicht 2a eine Nut 9 ausgebildet, wobei in der Nähe des Bodens dieser Nut 9 ein schlangenförmiges Heizelement 10 angeordnet und ein einen Boden bildendes Element 11 im Boden der Nut 9 unter dem Heizelement eingebettet ist. Die Zusammensetzung wird ausführlich in US-A-5 847 368 gezeigt. Der Einbau des den Boden bildenden Elements 11 hilft zu verhindern, dass das schlangenförmige Heizelement 10 in der wärmedämmenden Schicht 2a versenkt wird. Das Freilegen des schlangenförmigen Heizelements 10 kann so groß wie möglich gemacht werden. Es ist auch möglich, das den Boden bildende Element 11 so zu modifizieren, dass es mikroporöses, wärmedämmendes Material aufweist. Wenn das der Fall ist, wird der wärmedämmende Gebrauchswert der Rückseite des Heizelements weiter verbessert, wobei eine elektrische Heizeinheit mit noch besseren Strahlungseigenschaften und wärmedämmenden Eigenschaften hergestellt werden kann.
Des Weiteren waren die oben erläuterten Beispiele aus plattenförmigen, wärmedämmenden Material und der elektrischen Heizeinheit, aber Erzeugnisse in anderen Formen, wie diejenigen, die einen Teil als zylindrische oder runde Ober fläche haben, können mit dem gleichen Verfahren wie oben hergestellt werden.
Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele verwendeten Keramikfasern aus Aluminosilikat als die feuerfesten, anorganischen Fasern, die den Hauptbestandteil der äußeren Schicht 2 bilden, es können aber auch andere Arten von Keramikfasern verwendet werden. Außerdem ist die volumenspezifische Schwere der äußeren Schicht 2 nach dem Vakuumformen nicht darauf beschränkt, was in den Ausführungsbeispielen erläutert wurde. Die volumenspezifische Schwere kann zum Beispiel auch durch Einstellen der Länge der Fasern variiert werden. Es können zusätzlich zu den Fasern auch andere Arten von Füllstoffen verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beeinträchtigen.
Es ist auch möglich, anderes mikroporöses, wärmedämmendes Material zu verwenden, als das, das in der Kernschicht 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wurde. Zum Beispiel kann auch eine Art des wärmedämmenden Materials aus Siliziumoxid-Aerogel, das in einen flexiblen, wärmebeständigen Stoffbeutel gepresst wurde, mit der Handelsbezeichnung „Microtherm" (von Micropore International Ltd.), als Kernschicht 3 verwendet werden. Es kann Material, das zuvor einer wasserabweisenden Behandlung unterzogen wurde, gewonnen werden und kann so auch als Kernschicht 3 verwendet werden.
Gegenwärtig ist mikroporöses, wärmedämmendes Material mit einer Wärmebeständigkeit von 1000°C bis zu 1200°C erhältlich. Seine wärmedämmenden Eigenschaften sind 2–3 mal besser als die des anderen wärmedämmenden Materials, das durch Vakuumformen herkömmlicher Keramikfasern gewonnen wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass eine Wärmebeständigkeit von über 1000°C und ein 2–3 mal besserer Gebrauchswert notwendig sind. Bis zu dem Grad kann das Material als in der Praxis wirksam angesehen werden, wenn es als Kernschicht 3 im wärmedämmenden Material 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Auf diese Weise ist ein Material mit noch besserem wärmedämmenden Gebrauchswert erlaubt. Ein höherer wärmedämmender Gebrauchswert für die Kernschicht 3 führt notwendigerweise zu einem besseren wärmedämmenden Gebrauchswert des wärmedämmenden Materials 1 und der elektrischen Heizeinheit 6 der vorliegenden Erfindung. Es ist nicht notwendig, die Erfindung auf eine Kernschicht 3 zu beschränken, wobei eine Vielzahl verwendet werden kann.
Das wärmedämmende Material der vorliegenden Erfindung ist von ausreichender Festigkeit, um allein eine ganze wärmedämmende Schicht einer Ofenwand zu bilden, ist leicht zu handhaben und von besonders guten wärmedämmenden Eigenschaften. Aus diesen Gründen vereinfacht die vorliegende Erfindung den Aufbau eines Ofens und kann die Kosten für den Aufbau eines Ofens außerordentlich senken. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung außerordentlich dazu beitragen, die Belastung der globalen Umwelt auf Grund seiner überragenden Energie-Einsparwirkungen zu verringern.
Zusätzlich zu all diesen Wirkungen des oben erwähnten wärmedämmenden Materials kann die elektrische Heizeinheit der vorliegenden Erfindung allein Ofenwände mit eingebauten Heizelementen bilden. Aus diesen Gründen kann die vorliegende Erfindung den Aufbau eines Ofens weiter vereinfachen und die Kosten für den Aufbau eines Ofens senken.
Mit dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung können dieses wärmedämmende Material mit hohem Gebrauchswert und die elektrische Heizeinheit leicht und mit geringen Kosten hergestellt werden.

Claims

Wärmedämmendes Material (1), das eine äußere Schicht (2) mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern und eine Kernschicht (3) aufweist, die in der äußeren Schicht (2) aufgenommen und mit ihr verbunden ist, wobei die äußere Schicht (2) eine größere mechanische Festigkeit als die Kernschicht (3) hat, wobei die Kernschicht (3) eine Zusammensetzung mit einem viel größeren wärmedämmenden Gebrauchswert als die äußere Schicht (2) aufweist und die Kernschicht (3) sich in einer Ebene erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Dicke des wärmedämmenden Materials (1) liegt, wobei die Kernschicht (3) hauptsächlich ein mikroporöses, wärmedämmendes Material aufweist, dessen grundlegendes Element eine mikrosphärische Kapsel mit einem Hohlraum darin ist.
Elektrische Heizeinheit (6), die ein Heizelement (8a) aufweist, das wenigstens teilweise in der Nähe von einer Oberfläche (7a) der äußeren Schicht (2) des wärmedämmenden Materials (1) eingebettet ist, nach Anspruch 1, so dass das Heizelement (8a) durch das wärmedämmende Material (1) aufgenommen wird und mit ihm verbunden ist, wobei Anschlüsse (8b) zum Anlegen von Energie an das Heizelement (8a) von der gegenüberliegenden Oberfläche (7b) hervorstehen.
Elektrische Heizeinheit (6), wobei eine oder mehrere Nuten (9) in einer Oberfläche (7a) der äußeren Schicht (2) des wärmedämmenden Materials (1) ausgebildet sind, nach Anspruch 1, und wenigstens ein Teil des Heizelements (10) im Boden der Nut (9) eingebettet ist, so dass es damit verbunden und darin aufgenommen ist.
Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials (1) als eine einzelne Einheit, mit den Schritten: – Aufbau unter Druckkraft einer ersten wärmedämmenden Schicht (2a) mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern auf eine vorgeschriebene Dicke; – Positionieren einer Kernschicht (3) mit einem besseren wärmedämmenden Gebrauchswert als die erste wärmedämmende Schicht (2a) und mit Abmessungen, die kleiner sind als die abgelagerte Fläche der ersten Schicht (2a) auf die abgelagerte Fläche, wobei die Kernschicht (3) hauptsächlich ein mikroporöses, wärmedämmendes Material aufweist, dessen grundlegendes Element eine mikrosphärische Kapsel mit einem Hohlraum darin ist; und – Aufbau unter Druckkraft einer zweiten wärmedämmenden Schicht (2b) mit hauptsächlich feuerfesten, anorganischen Fasern, so dass die Kernschicht (3) vollständig an einer vorgeschriebenen Position darin eingeschlossen und aufgenommen ist.
Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials (1) nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten wärmedämmenden Schichten (2a, 2b) durch ein Vakuumform-Verfahren aufgebaut werden.
Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Hauptbindemittel-Komponente anorganisches, kolloidales Siliziumoxid ist.
Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials (1) nach einem der Ansprüche 4–6, wobei die ersten und zweiten wärmedämmenden Schichten (2a, 2b) mittels wässriger Masse ausgebildet sind, in der feuerfeste, anorganische Fasern verteilt sind.
Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials (1) nach einem der Ansprüche 4–7, wobei das Vakuumformen ausgeführt wird, nachdem die Kernschicht (3) mit einer wasserfesten Membran (4) abgedeckt ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizeinheit (6) als eine einzelne Einheit mit den Schritten: Positionieren des Heizelements (8a, 10) an einer vorgeschriebenen Stelle, Aufbau der ersten wärmedämmenden Schicht (2a) und wenigstens teilweises Einbetten des Heizelements (8a, 10) an einer vorgeschriebenen Position in der Nähe der Oberfläche (7a) der ersten wärmedämmenden Schicht (2a) in dem Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials (1) nach einem der Ansprüche 4–8.