DE963387C - Thermal insulation body - Google Patents
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Description
AUSGEGEBEN AM 9. MAI 1957ISSUED MAY 9, 1957
/ 6131 XII147 a / 6131 XII147 a
Die Erfindung bezieht sich auf thermische Isolationskörper und insbesondere auf Vakuumisolatoren, bei welchen die Wände eines Vakuumgefäßes durch ein Füllmaterial gegeneinander abgestützt werden.The invention relates to thermal insulation bodies and in particular to vacuum insulators, in which the walls of a vacuum vessel are supported against one another by a filler material.
Es ist bereits bekannt, daß mit Hilfe von Vakuumräumen eine sehr wirkungsvolle thermische Isolation erreicht werden kann. Jedoch sind thermische Isolatoren unter Verwendung von Vakuum bisher praktisch nur als zylindrische Glasbehälter oder Glasflaschen ausgeführt worden, z. B. als Dewargefäß e, bei denen die gekrümmten Wände eine genügende Festigkeit gegenüber dem atmosphärischen Druck hatten. Derartige Gefäße leiden ferner unter dem Nachteil, daß der Innendruck sehr gering gehalten werden muß, beispielsweise auf ι Mikron Quecksilbersäule oder weniger, wenn die thermische Isolation gut sein soll.It is already known that with the help of vacuum spaces a very effective thermal Isolation can be achieved. However, thermal insulators are made using vacuum so far practically only carried out as a cylindrical glass container or glass bottles, z. B. as Dewar flasks in which the curved walls have sufficient strength against the atmospheric Had pressure. Such vessels also suffer from the disadvantage that the internal pressure must be kept very low, for example to ι microns of mercury or less, if the thermal insulation should be good.
Es ist auch schon versucht worden, plattenförmige Isolationskörper unter Verwendung von Vakuum herzustellen, bei denen der Vakuumraum durch ebene Wände begrenzt ist. Da jedoch bei diesen Ausführungen der äußere Atmosphärendruck zu einer Durchbiegung der Wände führen kann, müssen die ebenen Wände durch eine verhältnismäßig große Anzahl von Distanzstücken gegeneinander abgestützt werden, welche selbst als Wärmeleiter zwischen den Wänden wirken und die Vorteile des Vakuums als isolierendes Medium in erheblichem Maße wieder rückgängig machen. DieAttempts have also been made to use plate-shaped insulation bodies Establish vacuum, in which the vacuum space is limited by flat walls. However, since these designs, the external atmospheric pressure can lead to a sagging of the walls, must the flat walls against each other by a relatively large number of spacers are supported, which act as a heat conductor between the walls and the Undo the advantages of the vacuum as an insulating medium to a considerable extent. the
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unmittelbare Wärmeleitung in den Distanzstücken zwischen den Wänden vermindert somit die Isolationswirkung, und zwar auch dann, wenn die Distanzstücke aus verhältnismäßig schlecht wärmeleitenden Stoffen hergestellt sind.direct heat conduction in the spacers between the walls thus reduces the insulation effect, even if the spacers are made of relatively poorly thermally conductive Fabrics are made.
Es sind auch bereits evakuierte Isolationskörper bekannt, deren biegsame Wände gegen den äußeren
Luftdruck durch ein pulver- oder . f aserförmiges Füllmaterial abgestützt sind. Durch die Wärmeleitung
der Füllung, die natürlich relativ dicht gepackt sein muß und daher kurze Wärmeleitungswege
zwischen der kalten und der warmen Fläche der Wand ergibt, wird der Vorteil der Evakuierung
zum großen Teil wieder rückgängig gemacht.
Die weiterhin bekannten Faserplatten, die durch schichtweises Auftragen von Glasfasern und einem
Bindemittel, beispielsweise Asphalt, hergestellt werden, sind für Wärmeisolation praktisch ungeeignet,
da sie keine isolierenden Zwischenräume enthalten.There are also already evacuated insulation bodies known whose flexible walls against the external air pressure by a powder or. fibrous filling material are supported. Due to the thermal conduction of the filling, which of course has to be packed relatively tightly and therefore results in short thermal conduction paths between the cold and warm surface of the wall, the advantage of evacuation is largely reversed.
The fiber boards, which are also known and which are produced by applying layers of glass fibers and a binding agent, for example asphalt, are practically unsuitable for thermal insulation because they do not contain any insulating spaces.
Gemäß der Erfindung soll ein thermischer Isolationskörper unter Verwendung von Vakuum zwischen zwei Wänden benutzt werden mit einem Füllmaterial zur Abstützung der Wände, welches eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat.According to the invention, a thermal insulation body is intended using a vacuum between two walls can be used with a filler material to support the walls, which has a low thermal conductivity.
Außerdem bezweckt die Erfindung einen thermischen Isolator zu schaffen, welcher den Bau solcher Gegenstände wie Kühlschrankbehälter, Kochkessel usw. ermöglicht, deren Wände nur einen Bruchteil der bisher üblichen Dicke haben, so daß der Raum innerhalb des Kühlschrankbehälters, des Kessels usw. erheblich vergrößert wird.In addition, the invention aims to provide a thermal insulator which allows the construction of such Objects such as refrigerator containers, cooking kettles, etc. allow only a fraction of the walls the usual thickness, so that the space inside the refrigerator container, the boiler etc. is increased significantly.
Der erfindungsgemäße thermische Isolationskörper besteht aus einem abgeschlossenen evakuierten Behälter mit zwei parallelen biegsamen Wänden, zwischen denen ein Füllmaterial aus Faserstoff liegt. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstoff aus Fäden eines harten Materials geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, die in zu den Wänden parallelen Ebenen regellos angeordnet sind.The thermal insulation body according to the invention consists of a closed evacuated one Container with two parallel flexible walls between which a filling material made of fiber material lies. It is characterized in that the fiber material consists of threads of a hard material less There is thermal conductivity that is randomly arranged in planes parallel to the walls are.
Durch die erfindungsgemäße, regellose Lage der abstützenden Fasern in parallel zu den Wänden liegenden Ebenen wird die Wärmeleitung durch Verringerung der Berührungsflächen zwischen den Faserlagen und durch Verlängerung der Wärmeleitungswege wesentlich herabgesetzt, wie im einzelnen an Hand der Zeichnungen erläutert werden soll.Due to the random position of the supporting fibers according to the invention in parallel to the walls lying planes, heat conduction is achieved by reducing the contact surfaces between the Fiber layers and significantly reduced by lengthening the heat conduction paths, as in detail should be explained with reference to the drawings.
Fig. ι veranschaulicht einen Teil einer solchen Anordnung mit zwei einen Abstand aufweisenden Wänden, wobei der Zwischenraum in der erfindungsgemäßen Weise gefüllt ist;Fig. Ι illustrates part of such an arrangement with two spaced apart Walls, the space being filled in the manner according to the invention;
Fig. 2 bis 4 stellen andere Ausführungsformen der Isolationsanordnung dar;Figures 2-4 illustrate other embodiments of the isolation assembly;
Fig. 5 zeigt in stark vergrößertem Maßstabe die ungefähre Anordnung und gegenseitige Lage der einzelnen Fäden innerhalb des Vakuumraumes;Fig. 5 shows on a greatly enlarged scale approximate arrangement and mutual position of the individual threads within the vacuum space;
Fig. 6, 7 und 8 sind Kurven, welche die Eigenschäften des thermischen Isolators unter verschiedenen Bedingungen wiedergeben.Figs. 6, 7 and 8 are graphs showing the properties of the thermal isolator under different conditions.
Bevor die erfindungsgemäßen Wärmeisolatoren näher beschrieben werden, sei kurz betrachtet, wie der Wärmeübergang durch Vakuumplatten der hier behandelten Art vor sich geht. Der Wärmeübergang findet zum Teil durch Wärmeleitung im Gase, zum Teil durch Strahlung und zum Teil durch Wärmeleitung in den festen Körpern statt. Die Wärmeleitung im Gase besteht in dem Wärmeübergang zwischen den einzelnen Gasmolekülen. Bei abnehmendem Gasdruck bleibt der Wärmeübergang zwischen den Gasmolekülen etwa konstant, bis die freie Weglänge der Gasmoleküle etwa die Porengröße des Füllmaterials annimmt. Sodann nimmt die Wärmeleitung im Gase mit dem Druck ungefähr linear ab, bis sie vernachlässigbar wird, so daß dann der Wärmeübergang praktisch ausschließlich durch Strahlung und durch die Wärmeleitung im Füllmaterial selbst stattfindet. Der allgemeine Zusammenhang zwischen dem Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit (K) und dem Druck im Vakuumraum ist in Fig. 6 veranschaulicht. Diese Größe wird weiter unten in Zusammenhang mit der Wärmeisolationsfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnungen noch näher diskutiert werden.Before the heat insulators according to the invention are described in more detail, let us briefly consider how the heat transfer takes place through vacuum plates of the type dealt with here. The heat transfer takes place partly through thermal conduction in the gas, partly through radiation and partly through thermal conduction in solid bodies. The heat conduction in gases consists in the heat transfer between the individual gas molecules. When the gas pressure decreases, the heat transfer between the gas molecules remains approximately constant until the free path of the gas molecules approximately assumes the pore size of the filler material. The heat conduction in the gas then decreases approximately linearly with the pressure until it becomes negligible, so that the heat transfer then takes place practically exclusively through radiation and through the heat conduction in the filler material itself. The general relationship between the coefficient of thermal conductivity (K) and the pressure in the vacuum space is illustrated in FIG. 6. This variable will be discussed in more detail below in connection with the thermal insulation capacity of the arrangements according to the invention.
Der Wärmeübergang durch Strahlung ist am größten, wenn der Vakuumraum gar kein Füllmaterial enthält. Bei Dewargefäßen wird die Strahlung durch Anbringung reflektierender Überzüge auf den Wänden, z. B. durch Silber- oder Aluminiumüberzüge, vermindert. Wenn jedoch ein Füllmaterial benutzt wird, wie es gemäß der Erfindung geschehen soll, so verkleinert das Füllmaterial selbst bei einer geeigneten Auswahl den Wärmeübergang durch Strahlung erheblich.The heat transfer through radiation is greatest when the vacuum space does not have any filler material contains. In the case of Dewar vessels, the radiation is generated by applying reflective coatings on the walls, e.g. B. by silver or aluminum coatings, reduced. But if a filler material is used, as is to be done according to the invention, so the filler material is reduced even with a suitable selection, the heat transfer through radiation is considerable.
Die körperliche Wärmeleitung besteht in dem Wärmeübergang zwischen den Wänden durch das feste im Vakuumraum enthaltene Material.The physical conduction of heat consists in the heat transfer between the walls through the solid material contained in the vacuum space.
Gemäß der Erfindung kann der Isolierkörper beispielsweise gemäß Fig. 1 aufgebaut werden. Diese Isolierplatte besteht aus einer Wand 1 aus dünnem biegsamem Blech von verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus kohlenstoffarmem Stahl und ferner aus einer zweiten Wand 2 aus einem dünnen biegsamen Blech von verhältnismäßig niedriger Leitfähigkeit, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Die Wände 1 und 2 sind an ihrer Kante 3 miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißung. Der Raum zwischen den Blättern 1 und 2 ist mit einem Füllmaterial 4 xio ausgefüllt, welches diese Wände gegen den äußeren Atmosphärendruck abstützt, und ist im übrigen in bekannter Weise evakuiert. Das Füllmaterial 4 kann entweder vor seiner Einbringung in den Innenraum gepreßt werden oder es wird nach -?einem Einbau zwischen die Wände 1 und 2 unter der Wirkung des äußeren. Atmosphärendrucks zusammengedrückt. Der Evakuierungsprozeß beinhaltet auch eine Ausheizung, z. B. bei 450° C, welche das in den Wänden und dem Füllmaterial okkludierte Gas abzupumpen gestattet.According to the invention, the insulating body can be constructed according to FIG. 1, for example. This insulating plate consists of a wall 1 made of thin flexible sheet of relatively high thermal conductivity, for example from low carbon steel and also from a second Wall 2 made of a thin flexible sheet of relatively low conductivity, for example made of stainless steel. The walls 1 and 2 are connected to one another at their edge 3, for example by welding. The space between sheets 1 and 2 is 4 xio with a filler material filled in, which supports these walls against the external atmospheric pressure, and is otherwise in evacuated in a known manner. The filling material 4 can either before being introduced into the Interior can be pressed or it will after -? An installation between the walls 1 and 2 under the effect of the outside. Compressed to atmospheric pressure. The evacuation process includes also a bakeout, e.g. B. at 450 ° C, which is in the walls and the filling material Pumping off occluded gas is permitted.
Um die Wände 1 und 2 gegen den äußeren Atmosphärendruck abzustützen und gleichzeitig den Wärmeübergang durch das Füllmaterial 4, insbesondere die körperliche Wärmeleitung durch das Füllmaterial hindurch und die Wärmestrahlung zuTo support the walls 1 and 2 against the external atmospheric pressure and at the same time the heat transfer through the filling material 4, in particular the physical heat conduction through the Filler material through and the thermal radiation to
verkleinern, wird eine besondere Art und Anordnung . des Füllmaterials verwendet. Das Füllmaterial 4 besteht aus langen dünnen Glasfaden oder Fäden eines ähnlichen Materials, wobei praktisch alle Fäden in zueinander parallelen Ebenen liegen und innerhalb dieser Ebene völlig ungeordnet sind. Die langen Fäden liegen also in Ebenen, die parallel zu den Wänden ι und 2 verlaufen, so daß im wesentlichen jeder Faden vollständig senkrecht zur Richtung des Wärmeübergangs zwischen den Wänden, verläuft und die projizierte Länge jedes Fadens auf die senkrecht zur Wandrichtung verlaufende Ebene sehr klein ist. In jeder dieser parallelen Ebenen sind die Fäden jedoch vollkommen ungeordnet. Bei dieser Anordnung der sich berührenden Fäden, bei der zwischen den Fadenrichtungen ein beträchtlicher Winkel vorhanden ist, wird die körperliche Wärmeleitung durch die Fäden hindurch sehr klein, wie weiter unten noch erläutert wird.Zoom out becomes a special type and arrangement. of the filling material used. The filler material 4 consists of long thin glass thread or threads of a similar material, being practical all threads lie in mutually parallel planes and are completely disordered within this plane are. The long threads are therefore in planes that run parallel to the walls ι and 2, see above that essentially each thread is completely perpendicular to the direction of heat transfer between the walls, and the projected length of each thread runs perpendicular to the wall direction trending plane is very small. In each of these parallel planes, however, the threads are perfect disordered. With this arrangement of the touching threads, between the thread directions If there is a sizeable angle, there is physical conduction of heat through the threads very small through it, as will be explained below.
Einige' handelsübliche Isoliermaterialien enthalten Glasfäden in der beschriebenen Orientierung und können, wenn sie zur Abgabe bestimmter . Fremdstoffe in der im folgenden noch erläuterten Weise behandelt werden, ohne weiteres als Füllmaterial für eine Anordnung nach der Erfindung benutzt werden. So haben gewisse Isoliermaterialien, z. B. die, welche in den V. St. v. Amerika unter dem Namen Fiberglas, TWF-Fiber oder B-Fiber im Handel sind, schon nach ihrer Herstellung eine geeignete Fadenorientierung. Diese Isolatiorisstoffe können zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vakuumplatte benutzt werden, wenn man darauf achtet, den Isolationsstoff so einzubauen, daß die Fadenschichten ungefähr parallel zu den Wänden, d. h. im wesentlichen senkrecht zu der Wärmeübergangsrichtung zwischen den Wänden verlaufen. Unter dem der Einfachheit halber in der Beschreibung verwendeten Ausdruck »Glasfäden« sollen auch alle fadenartigen Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften wie Glas bezüglich der Härte, der geringen Wärmeleitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit, d. h. Stoffe ohne eine erhebliche Gasabgabe während langer Zeiten verstanden werden. So können z. B. Quarzfäden, Gesteinsfäden oder ein ähnliches Material· verwendet werden, natürlich vorausgesetzt, daß die Fäden in der obenerwähnten Weise orientiert sind.Some 'commercially available insulation materials contain glass threads in the orientation described and can, if they are about to submit certain. Foreign matter in the still explained below Wise treated, readily as filler material for an arrangement according to the invention to be used. So have certain insulating materials, e.g. B. those, which in the V. St. v. America are sold under the name Fiberglas, TWF-Fiber or B-Fiber, even after they have been manufactured a suitable thread orientation. These isolating substances can be used to construct the inventive Vacuum plates can be used if you take care to install the insulation material in such a way that that the layers of thread are approximately parallel to the walls, i.e. H. substantially perpendicular to the Direction of heat transfer between the walls. Below that for simplicity in the The expression "glass threads" used in the description should also include all thread-like substances with similar Properties like glass in terms of hardness, low thermal conductivity and chemical properties Persistence, d. H. Substances can be understood without a significant gas release for long periods of time. So z. B. Quartz threads, stone threads or a similar material are used, provided, of course, that the threads are oriented in the manner noted above.
Eine andere Form eines Isolierkörpers, d. h.Another form of insulator, i. H.
einer Platte, ist in Fig. 2 dargestellt. Dort haben die beiden Wände 6 und 7 eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit und bestehen z. B. aus kohlenstoffarmem Stahl. An den Kanten der Wände 6 und 7 wird die Platte mittels eines Streifens 8 von geringer Wärmeleitfähigkeit dicht abgeschlossen, beispielsweise mittels eines Streifens aus rostfreiem Stahl. Der Streifen 8 kann gerillt sein, um den Wärmeleitungsweg zu verlängern.a plate is shown in FIG. There the two walls 6 and 7 have a relative high conductivity and consist e.g. B. made of low carbon steel. On the edges of the walls 6 and 7 the plate is sealed by means of a strip 8 of low thermal conductivity, for example by means of a stainless steel strip. The strip 8 can be grooved to to extend the heat conduction path.
Bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 verlaufen die beiden Wände parallel zueinander. Für Isolationskörper gemäß der Erfindung können aber auch Anordnungen verwendet werden, bei denen eine oder beide Wände nicht eben verlaufen, oder bei denen beide Wände nicht parallel zueinander verlaufen. Als Beispiel ist in Fig. 3 eine An-Ordnung dargestellt, welche eine ebene Wand 9 und eine gewellte Wand 10 enthält. Der Raum zwischen den beiden Wänden ist größtenteils mit einem Füllmaterial 4 'der oben beschriebenen Art gefüllt. Der Rest des Raumes, nämlich der Raum innerhalb der Rillen der Wand 10, ist mit einem thermischen Isolationsmaterial 11 gefüllt, welches von derselben Art sein kann wie das Material 4 oder aus einem anderen thermischen Isolationsmaterial bestehen kann. Als ein weiteres Beispiel sei die in Fig. 4 dargestellte Anordnung besprochen, bei der die Wände 12 und 13 unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufen. An den Kanten sind die Wände 12 und 13 mittels eines Streifens 14 von geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden. Wenigstens der überwiegende Teil des Innenraumes ist mit einem Füllmaterial 4 der beschriebenen Art gefüllt. Man kann dabei beispielsweise durch parallele Flächen begrenzte Stücke eines Füllmaterials 4 verwenden und die verbleibenden dreieckigen Querschnittsräume mit thermischem Isoliermaterial nach Art des Materials 4 oder anderem thermischen Isoliermaterial 15 füllen.In the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the two walls run parallel to one another. For insulation bodies according to the invention, however, arrangements can also be used in which one or both walls do not run flat, or in which both walls do not run parallel to one another. As an example, an arrangement is shown in FIG. 3 which contains a flat wall 9 and a corrugated wall 10. The space between the two walls is largely filled with a filler material 4 'of the type described above. The rest of the space, namely the space within the grooves of the wall 10, is filled with a thermal insulation material 11, which can be of the same type as the material 4 or can consist of a different thermal insulation material. As a further example, the arrangement shown in FIG. 4 will be discussed, in which the walls 12 and 13 extend at an acute angle to one another. At the edges, the walls 12 and 13 are connected by means of a strip 14 of low thermal conductivity. At least the majority of the interior space is filled with a filler material 4 of the type described. For example, pieces of a filler material 4 delimited by parallel surfaces can be used and the remaining triangular cross-sectional spaces can be filled with thermal insulation material of the type of material 4 or other thermal insulation material 15.
Die Orientierung der Fäden ist in stark vergrößertem Maßstabe in Fig. 5 dargestellt. Die in dieser Figur mit 16 bis 19 bezeichneten Glasfaden sind innerhalb ein und derselben Ebene vollkommen regellos orientiert, d. h. diese Fäden liegen unter ganz verschiedenen Winkeln zueinander, befinden sich aber alle etwa in derselben Ebene oder in aufeinanderfolgenden parallelen Ebenen. Es besteht also mit anderen Worten keine regellose dreidimensionale Orientierung der Fibern. Wenn man ein Gitterwerk dieser Anordnung aufbaut, so können natürlich Teile einzelner Fäden in verschiedenen Ebenen liegen, jedoch ist die auf eine senkrecht zur Wandrichtung liegende Ebene projizierte Länge der einzelnen Fäden sehr klein im Vergleich zu der auf die Wände projizieren Länge. Bei der Anordnung des Füllmaterials innerhalb des Vakuumraums in Fig. 1 beispielsweise sind"die Ebenen, in denen die Fäden regellos orientiert sind, parallel zu den Wänden 1 und 2, d. h. senkrecht zu der Richtung des Wärmeübergangs von einer Wand zur anderen. Dabei liegt in Fig. 1 eine ganze Reihe solcher Ebenen parallel zueinander zwischen den Wänden 1 und 2.The orientation of the threads is shown on a greatly enlarged scale in FIG. In the this figure with 16 to 19 designated glass thread are oriented completely randomly within one and the same plane, i. H. these threads lie at completely different angles to each other, but are all roughly in the same plane or in successive parallel planes. In other words, there is no such thing as an irregular one three-dimensional orientation of the fibers. If you build a latticework of this type, so parts of individual threads can of course lie in different planes, but that is on one The projected length of the individual threads is very small in the plane perpendicular to the wall direction Compared to the length projected onto the walls. When arranging the filler material inside of the vacuum space in Fig. 1, for example, are "the planes in which the threads are randomly oriented, parallel to walls 1 and 2, i.e. H. perpendicular to the direction of heat transfer from a wall to the other. A whole series of such planes lies parallel to one another in FIG. 1 walls 1 and 2.
Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß bei der beschriebenen Anordnung der Glasfäden ein verhältnismäßig langer körperlicher Wärmeleitungsweg zwisehen den Wänden 1 und 2 entsteht. So fließt der Wärmestrom in Fig. 5 zwischen den Punkten 20 und 21 längs der punktierten Linie22, d.h. längs eines langen und vielfach gewundenen Weges, imd die körperliche Wärmeleitung ist sehr viel-kleiner, als wenn die Wärme unmittelbar zwischen dem Punkt 20 und 21 übergehen würde. Der lange und gewundene Wärmeübergangsweg ist in Wirklichkeit wegen der zahlreichen Fadenschichten zwischen den beiden Wänden noch viel komplizierter und langer, so· daß die körperliche WärmeleitungFrom Fig. 5 it can be seen that in the described Arrangement of the glass threads between a relatively long physical heat conduction path the walls 1 and 2 is created. The heat flow in FIG. 5 thus flows between points 20 and 21 along the dotted line 22, i.e. longitudinally a long and often winding path, and the physical conduction of heat is very much smaller, as if the heat were to pass immediately between point 20 and 21. The long and The tortuous heat transfer path is in reality because of the numerous layers of thread between the two walls are much more complicated and longer, so that the physical conduction of heat
erheblich geringer ist als bei der Verwendung fester Distanzstücke zwischen den Wänden. Außerdem sieht man, daß die regellose Orientierung der Fäden zu sehr kleinen Berührungsquerschnitten zwischen den einzelnen Fäden führt. Wenn man dagegen im Gegensatz zu der beschriebenen regellosen Orientierung die Fäden alle parallel nebeneinander anordnen würde, so .würde eine Berührung zwischen zwei nebeneinanderliegenden Fäden längsis considerably less than when using fixed spacers between the walls. aside from that one can see that the random orientation of the threads leads to very small contact cross-sections leads between the individual threads. If, on the other hand, in contrast to the described irregular Orientation would arrange the threads all parallel next to each other, so would a touch lengthways between two adjacent threads
ίο der ganzen Fadenlänge zustande kommen und daher eine verhältnismäßig große Berührungsfläche entstehen. ίο the entire length of the thread come about and therefore a relatively large contact area is created.
Durch die Verwendung von Fäden aus Glas und gleichartigen harten Materialien niedriger Wärme-By using threads made of glass and similar hard materials with low heat
leitfähigkeit wird noch ein weiterer Vorteil erzielt. Glas beispielsweise ist verhältnismäßig hart und inkompressibel und besitzt eine Youngziffer von beispielsweise 492 · io6 bis 843 · ioe g je cm2. Wegen der Härte und Inkompressibilität nimmt die Berührungsfläche der einzelnen Fäden unter dem äußeren Atmosphärendruck gegen die evakuierte Isolierplatte nur sehr wenig zu. Daher ändert sich die körperliche Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials zwischen dem unkomprimierten und dem hochkomprimierten Zustand nur sehr wenig. Dies bedeutet natürlich einen sehr großen Vorteil, da eine evakuierte Platte der beschriebenen Art notwendigerweise unter einem starken Druck steht. Es wird somit durch Verwendung eines Füllmaterials aus einzelnen Fäden der beschriebenen Eigenschaften und Anordnung eine Zunahme der körperlichen Wärmeleitfähigkeit infolge des starken auf das Füllmaterial ausgeübten Druckes sehr klein gehalten. Es ist außerdem zu beachten, daß zusätz-Hch zu der Tatsache, daß die Verwendung von hartem und inkompressiblem Füllmaterial die Kontaktfläche zwischen den einzelnen Fäden bei dem bestehenden Druckunterschied nicht wesentlich zunehmen läßt, eine geringe Zunahme der Kontaktfläche auch nur einen geringen Einfuß auf den gesamten Wärmewiderstand hat, da der größte Teil dieses Wärmewiderstandes innerhalb der einzelnen Fäden zwischen zwei Berührungsstellen mit den angrenzenden Fäden liegt und die Länge zwischen zwei Berührungspunkten nicht durch den an den Berührungsstellen herrschenden Druck beeinflußt wird.conductivity, another benefit is achieved. Glass, for example, is relatively hard and incompressible and has a Young's number of, for example, 492 · 10 6 to 843 · 10 e g per cm 2 . Because of the hardness and incompressibility, the contact area of the individual threads increases only very little under the external atmospheric pressure against the evacuated insulating plate. Therefore, the physical thermal conductivity of the filler material changes very little between the uncompressed and the highly compressed state. This is of course a very great advantage, since an evacuated plate of the type described is necessarily under high pressure. Thus, by using a filler material made of individual threads with the properties and arrangement described, an increase in the physical thermal conductivity as a result of the strong pressure exerted on the filler material is kept very small. It should also be noted that in addition to the fact that the use of hard and incompressible filler material does not significantly increase the contact area between the individual threads with the existing pressure difference, a small increase in the contact area also has only a small influence on the whole Has thermal resistance, since most of this thermal resistance lies within the individual threads between two points of contact with the adjacent threads and the length between two points of contact is not influenced by the pressure prevailing at the points of contact.
Wie oben dargelegt, ist das Füllmaterial gemäß der Erfindung notwendigerweise stark komprimiert, um die Wände gegen den erheblichen äußeren Atmosphärendruck abzustützen, und der hieraus resultierende geringe Anstieg der körperlichen Wärmeleitfähigkeit steht in ausgesprochenem Gegensatz zu der sehr starken Leitfähigkeitszunähme von anderen unter Druck stehenden Materialien, wie feinverteilten Pulverstoffen oder gewöhnlichen Faserstoffen. Der Grund für dieses verschiedene Verhalten liegt darin, daß im komprimierten Zustand die kleinen Pulverkörnchen sich" praktisch an ihrer ganzen Oberfläche berühren. Unter starkem Druck wächst daher bei Pulver die Berührungsfläche sehr stark an und somit auch die körperliche Wärmeleitfähigkeit, da der Wärmestrom praktisch auf kürzestem Wege zwischen den Wänden über die sich berührenden Pulverkörnchen übergeht. Der Weg des Wärmestroms verläuft daher innerhalb eines unter Druck stehenden Pulvers oder gewöhnlichen Faserstoffs so gut wie längs des Temperaturgradienten, während der Weg durch die regellos orientierten Fäden gemäß der Erfindung im wesentlichen in der Richtung der Fäden verläuft, d. h. senkrecht zum Temperaturgradienten. Daher ist das erfindungsgemäße, aus regellos orientierten Fäden bestehende Füllmaterial einem feinverteilten Pulver oder gewöhnlichen Faserstoff in der Anwendung auf einen Vakuumisolationskörper, bei dem das Füllmaterial notwendigerweise unter hohem Druck steht, wesentlich überlegen.As stated above, the filling material according to the invention is necessarily highly compressed, to support the walls against the considerable external atmospheric pressure, and from this resulting small increase in physical thermal conductivity is pronounced In contrast to the very strong increase in conductivity of other pressurized materials, such as finely divided powder materials or ordinary fibers. The reason for this different behavior lies in the fact that in the compressed state the small powder grains " touch practically on their entire surface. The powder therefore grows under strong pressure Contact surface very strongly and thus also the physical thermal conductivity, since the heat flow practically on the shortest path between the Walls over the touching powder grains. The path of the heat flow runs hence as good as within a pressurized powder or ordinary pulp along the temperature gradient, while the path through the randomly oriented threads according to FIG Invention runs essentially in the direction of the threads, i. H. perpendicular to the temperature gradient. The filler material according to the invention, consisting of randomly oriented threads, is therefore a finely divided powder or ordinary fiber used on a vacuum insulation body, where the filler material is necessarily under high pressure, significantly superior.
Ein Vergleich der Änderung des Wertes K, d. h. des thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten in Abhängigkeit von dem äußeren Druck für pulverförmige oder körnige Stoffe einerseits und des erfindungsgemäßen Füllmaterials andererseits, ist an Hand der Fig. 7 möglich. Dort bedeutet A den Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit eines 80-Maschen-Sandes für verschiedene Werte des äußeren Drucks, während B sich auf Diatomeenerde oder Kieselgur bezieht und C auf das erfindungsgemäße Füllmaterial. Man sieht, daß ohne Druckbeanspruchung die Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit dieser drei Stoffe verhältnismäßig wenig voneinander abweichen. Beim Druck ο hat der 80-Maschen-Sand einen Leitfähigkeitskoeffizienten von etwa 9 · io~6 cal/cm 0C sec, Di- atomeenerde oder Kieselgur einen Koeffizienten von etwa 12 · 10—6 cal/cm 0C see und das erfindungsgemäße Füllmaterial einen Koeffizienten von etwa 9 · 10""° cal/cm 0C see. Unter dem Druck von einer Atmosphäre, wie er naturgemäß bei den erfindungsgemäßen Platten auftreten muß, nimmt der Koeffizient von Sand auf ungefähr 83 · 10—6 cal/cm 0C see, d. h. auf den neunfachen Wert zu. Der Koeffizient von Kieselgur wächst auf etwa 52 · io~6 cal/cm 0C see, d. h. auf mehr als den vierfachen Betrag. Im Gegensatz zu diesen sehr starken Änderungen nimmt der Koeffizient für das erfindungsgemäße Füllmaterial nur auf 10,5 · 10—6 cal/cm 0C see zu, d. h. nur um ein Sechstel gegenüber dem drucklosen Wert. Man sieht, daß für die Benutzung in Vakuumisolatoren das erfindungsgemäße Füllmaterial gegenüber pulverförmigem oder kornförmigem Material große Vorteile hat.A comparison of the change in the value K, ie the thermal conductivity coefficient as a function of the external pressure for powdery or granular substances on the one hand and the filler material according to the invention on the other hand, is possible with reference to FIG. There, A denotes the coefficient of thermal conductivity of an 80-mesh sand for various values of the external pressure, while B relates to diatomaceous earth or kieselguhr and C to the filler material according to the invention. It can be seen that the coefficients of the thermal conductivity of these three substances deviate relatively little from one another without any compressive stress. The 80-mesh sand has ο when printing a conductivity coefficient of about 9 x io ~ 6 cal / cm 0 C sec, atoms earth di- or diatomaceous see a coefficient of about 12 × 10 -6 cal / cm 0 C and filling material according to the invention a coefficient of about 9 x 10 "" ° cal / cm 0 C lake. Under the pressure of one atmosphere, as must occur in the inventive panels, of course, the coefficient of sand absorbs about 83 · 10 -6 cal / cm 0 C lake, ie to the nine-fold value. The coefficient of kieselguhr increases to about 52 · 10 ~ 6 cal / cm 0 C see, ie to more than four times the amount. In contrast to these very strong changes in the coefficient for the inventive filler material refers only to 10,5 · 10 6 cal / cm 0 C to see, that is only one-sixth compared to the unpressurized value. It can be seen that the filling material according to the invention has great advantages over powdery or granular material for use in vacuum insulators.
Der Unterschied zwischen pulverförmigen oder kornförmigen Materialien einerseits und den erfindungsgemäßen Füllmaterialien andererseits für Vakuumisolatoren kann ferner an Hand der Formel für die thermische Leitfähigkeit erläutert werden.The difference between powdery or granular materials on the one hand and those according to the invention Filling materials on the other hand for vacuum insulators can also be based on the formula for thermal conductivity are explained.
K =K =
Q-d A-ATQ-d A-AT
Hierin ist Q die Kalorienzahl je Sekunde, welche eine Fläche A mit einer Dicke d bei einem Temperaturgefälle Δ T durchsetzt. Wenn das Füllmaterial gemäß der Erfindung unter Druck gesetztHere, Q is the number of calories per second which penetrates an area A with a thickness d at a temperature gradient ΔT. When the filler material according to the invention is pressurized
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wird, sinkt d ohne nennenswerte Zunahme von Q-Bei einer Druckbeanspruchung eines kornförmigen o-ier pulverförmiger! Materials nimmt d wenig ab, Q nimmt jedoch auf ein Mehrfaches zu. Das Füllmaterial gemäß der Erfindung verzögert also den Wärmeübergang, selbst wenn seine Dicke d erheblich abnimmt und *ehr klein ist.becomes, d decreases without any appreciable increase in Q- When a granular o-ier powdery! Material decreases d little, but Q increases several times. The filler material according to the invention thus delays the transfer of heat, even if its thickness d decreases considerably and is rather small.
Da-, Füllmaterial für die erfindungsgemäßen Isolierkörper hat terrier gegenüber pulverförmiger!, ίο kernförmigen oder den üblichen faserigen Füllmaterialien hinsichtlich der leichteren Evakuierung bestimmte Vorteile. Pulverteiichen haben das Bestreben, aneinander zn haften und versperren, den Gasaustriit aus dem Inneren des Pulvers, so daß die Evakuierung schwierig wird und längere Pumpzeiten erfordert. Die Gitterstruktur der erfmdungsgemäßen als Füllmaterial dienenden Fäden läßt dagegen zahlreiche Pumpwege für den Gasaustritt frei und erleichtert die Evakuierung des Füllraum es.Because, filling material for the insulating body according to the invention has certain advantages over powdered !, ίο core-shaped or the usual fibrous filling materials with regard to easier evacuation. Powder ponds tend to adhere to one another and block the escape of gas from the interior of the powder, so that evacuation becomes difficult and requires longer pumping times. The lattice structure of the threads used as filler material according to the invention, on the other hand, leaves numerous pump paths free for the gas outlet and facilitates the evacuation of the fill space.
Bezüglich der körperlichen Wärmeleitung spielt es ebenfalls eine Rolle, daß die Fäden praktisch in parallelen Ebenen oder Schichten liegen und innerhalb dieser Ebenen regellos orientiert sind und dabei diese Ebenen etwa parallel zu den Wänden sowie senkrecht zur Wärmeübergangsrichtung zwischen den Wänden verlaufen. Man sieht, daß eine dreidimensionale regellose Orientierung der Fäden, bei der viele Fäden senkrecht zu den Wändengo liegen würden, einen kürzeren Wärmeleitungsweg zwischen den Wänden zur Folge haben würde, als er durch den langen und vielfach gewundenen Weg in der Richtung von Fäden gegeben ist, die annähernd parallel zu den. Wänden verlaufen. Natures lieh int bei einem Füllmaterial, welches viele tausend Fäden enthält und in der beschriebenen Weise angeordnet ist, auch hin und wieder ein Faden vorhanden, der zum Teil schräg zu einer Ebene oder Schicht verläuft und durch mehrere solche .j.0 Ebenen oder Schichten hindurchtreten kann. Jedoch ist die Länge eines solchen Fadens bei der Projektion auf eine senkrecht zu den Wänden stehende Ebene sehr klein im Vergleich zu der Gesamtlänge des Fadens, der mit einem über- r iegenden Teil seiner Länge innerhalb einer Ebene liegen wird. Als Beispiel sei genannt, daß bei der Verwendung von Glasfaden mit einer Leitfähigkeit von 2,8 · ίο—3 cal/cm ° C see in parallelen Ebenen und in regelloser Orientierung ein Paket mit einer Dichte von 0,23 g je cm3 zwischen 250 C und 1400 C einen Gesamtleitfähigkeitskoeffizienten im Vakuum von 8,8 · 10-6 cal/cm 0C see zeigte. Wenn dieselben Fäden regellos orientiert waren und dabei ein erheblicher Bruchteil parallel zu der Richtung des Wärmeübergangs (statt senkrecht zu ihr) in einem Probekörper derselben Dichte vorhanden war, so nahm die Wärmeleitfähigkeit auf 6g ■ 10—6 cal/cm 0C see zu. Es ist also nicht nur das Füllmaterial bei dem erfindungsgemäßen ■»ο Isolierkörper einem feinverteilten oder' pulverförmigen Material überlegen, sondern die Vorteile liegen auch in der erfindungsgemäßen Anordnung 'kr Fäden gegenüber einem fadenförmigen, aberWith regard to the physical conduction of heat, it also plays a role that the threads are practically in parallel planes or layers and are oriented randomly within these planes and that these planes run approximately parallel to the walls and perpendicular to the direction of heat transfer between the walls. It can be seen that a three-dimensional random orientation of the threads, in which many threads would be perpendicular to the walls, would result in a shorter heat conduction path between the walls than is given by the long and often winding path in the direction of the threads, which are approximately parallel to the. Walls run. Natures borrowed int in a filler material, which contains many thousands of threads and is arranged in the manner described, also now and then a thread is present, which partly runs obliquely to a plane or layer and pass through several such .j.0 planes or layers can. However, the length of such a yarn in the projection onto a plane standing perpendicular to the walls is very small compared to the total length of the thread will lie with an above-r ying part of its length within a plane. As an example, it should be mentioned that when using glass thread with a conductivity of 2.8 · o- 3 cal / cm ° C see in parallel planes and in random orientation a package with a density of 0.23 g per cm 3 between 25 0 C and 140 0 C a total conductivity coefficient in vacuum of 8.8 x 10- 6 cal / cm 0 C showed lake. If the same threads were randomly oriented and a considerable fraction was present parallel to the direction of heat transfer (instead of perpendicular to it) in a test specimen of the same density, the thermal conductivity increased to 6 g · 10-6 cal / cm 0 C see. It is not only the filling material in the insulating body according to the invention that is superior to a finely divided or powdered material, but the advantages also lie in the arrangement according to the invention for threads over a thread-like, but
nicht in der erfmdungsgemäßen Weise angeordneten Füllmaterial. Außerdem ist, da die Härte S5 des Glases oder des anderweitig verwendeten Materials für die geringe Zunahme der Berührungsfläche zwischen den Fäden unter äußerem Druck von Bedeutung ist, fernerhin klar, daß das erfindungsgemäß verwendete Füllmaterial auch vorteilhaft gegenüber anderen und stärker kompressiblen Materialien als Glas u. dgl. ist. Es sei noch bemerkt, daß in einem üblichen luftgefüllten Isolierkörper mitGlasfibeneinlage, wie sie z.B. in·heutigen Kühlschränken bei Atmosphärendruck verwendet werden, die regellose Orientierung der Fäden innerhalb paralleler Ebenen einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit besitzt. So kann z. B. die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei dreidimensionaler Orientierung der Fäden (im Gegensatz zur regellosen Orientierung in parallelen Ebenen) ganz ungefähr 5 % betragen. Im Gegensatz dazu kann bei evakuierten Isolationskörpern der Unterschied bei regelloser Orientierung in parallelen Ebenen, wie im obigen Beispiel gezeigt, ganz ungefähr 800% betragen.filler material not arranged in the manner according to the invention. In addition, since the hardness S 5 of the glass or the material used elsewhere is important for the slight increase in the contact area between the threads under external pressure, it is also clear that the filler material used according to the invention is also advantageous over other and more compressible materials than glass and the like .like. is. It should also be noted that in a conventional air-filled insulating body with a glass pane insert, as is used, for example, in today's refrigerators at atmospheric pressure, the random orientation of the threads within parallel planes has a relatively small influence on the thermal conductivity. So z. B. the increase in thermal conductivity with three-dimensional orientation of the threads (as opposed to random orientation in parallel planes) amount to approximately 5%. In contrast, in the case of evacuated insulation bodies, the difference in the case of random orientation in parallel planes, as shown in the example above, can be approximately 800%.
Es ist von Interesse, die thermischen Leitfähigkeiten verschiedener Materialien, die heute in Wärmeisolationsanordnungen verwendet werden, unter Atrnosphärendruck, d. h. unter Luft einer- go seits und unter Vakuum andererseits, zu vergleichen. Man könnte vielleicht erwarten, daß bei der Verwendung bekannter Isolationsmaterialien in einem Vakuumisolator sich die Eigenschaften bei allen Materialien etwa im gleichen Verhältnis ändern würden, da die Evakuierung die Wärmeleitfähigkeit im Gase vermindert. Jedoch wurde gefunden, daß die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit für die verschiedenen Materialien nicht annähernd im selben Verhältnis stattfindet, und es wurde ferner gefunden, daß die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit für das gemäß der Erfindung verwendete Füllmaterial viel größer ist als tür andere heute verwendete Isoliermaterialien. Ein Vergleich der verschiedenen Materialien ist an Hand der unten stehenden Tabelle möglich. Die Zahlen in der Tabelle sind die Werte von K (thermische Leitfähigkeit) multipliziert mit io6 cal/cm 0C see.It is of interest to compare the thermal conductivities of different materials that are used today in thermal insulation arrangements under atrnospheric pressure, ie under air on the one hand and under vacuum on the other hand. One might expect that if known insulation materials were used in a vacuum insulator, the properties of all materials would change in approximately the same proportion, since the evacuation reduces the thermal conductivity in the gas. However, it has been found that the decrease in thermal conductivity for the various materials does not occur in nearly the same proportion, and it has also been found that the decrease in thermal conductivity for the filler material used according to the invention is much greater than for other insulating materials used today. A comparison of the different materials is possible using the table below. The numbers in the table are the values of K (thermal conductivity) multiplied by 10 6 cal / cm 0 C see.
(in parallelen Ebenen
regellos orientiert) . ..
Gesteinsfäden .........Glass threads
(in parallel planes
randomly oriented). ..
Filaments of rock .........
■ 8290
■ 82
20 bis 506 to 10
20 to 50
Sil-O-Cel Silicon airgel
Sil-O-Cel
100 bis 130
110 55-
100 to 130
110
50
11032
50
110
Aus dieser Tabelle ist zu ersehen, daß die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit für Materialien wie Gesteinsfäden, Silizium-Aerogel usw. bei der Verwendung in Vakuum verhältnismäßig klein ist. ImFrom this table it can be seen that the decrease in thermal conductivity for materials such as Filaments of rock, silicon airgel, etc. is relatively small when used in a vacuum. in the
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Gegensatz dazu zeigt ein Füllmaterial aus vielen Glasfaden in parallelen Ebenen und regelloser Orientierung innerhalb dieser Ebenen eine erheblich größere Abnahme der Wärmeleitfähigkeit, nämlich eine Abnahme auf ein Zehntel des Wertes in Luft.In contrast, a filler made of many glass threads shows in parallel planes and more randomly Orientation within these levels a significantly greater decrease in thermal conductivity, namely a decrease to a tenth of the value in air.
Ein weiterer Faktor, der die Wirksamkeit des Füllmaterials, wie es gemäß der Erfindung verwendet werden soll, beeinflußt, ist die Materialdichte. Wie in Fig. 8 dargestellt, nimmt der Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit mit der Abnahme der Dichte bis auf einen Minimalwert ab, während er für eine weitere Abnahme der Dichte wieder zunimmt. Man sieht aus Fig. 8, daß ein aus Glasfäden mit einem durchschnittlichen Durchmesser von i,5 · io—3 cm bestehendes Füllmaterial im \rakuum einen Minimalwert der Leitfähigkeit von etwas weniger als g · io~6 cal/cm 0C see besitzt, wenn das Material eine Dichte von ungefähr 0,25 g je cm3 hat. Wenn die Dichte auf etwa 1,2 g je cm3 gesteigert wird, nimmt der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit auf 20 · 10—6 cal/cm 0C see zu und nimmt ebenfalls zu, und zwar auf etwa 25 · Kr"6 cal/cm 0C see, wenn man die Dichte auf 0,05 g je cm3 senkt. Man kann zwar natürlich einen gewissen Bereich der Dichte zulassen, je nachdem, welche Abweichung vom Mindestwert in der thermischen Leitfähigkeit erlaubt wird, jedoch gibt die Kurve 8 eine Beziehung, aus der der optimale Punkt für zwei verschiedene Füllmaterialien der gemäß der Erfindung zu verwendenden Art bei Verwendung von Glasfaden eines durchschnittlichen Durchmessers von 0,325 · 10—3 cm bzw. 1,5 · 10—3 cm entnommen werden kann. Ähnliche Kurven lassen sich für Füllmaterialien von anderen durchschnittlichen Durchmessern gewinnen. Man erkennt, daß der Punkt der geringsten thermischen Leitfähigkeit abhängig von der Dichte und auch von dem Durchmesser der verwendeten Fäden abhängt. Wenn also das Füllmaterial aus Glasfaden besteht, die einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,325 · 10—3 cm haben, erreicht man den Minimalwert des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von 6 · io~6 cal/cm ° C see, wenn die Dichte etwa 0,175 g je cm3 beträgt. J: größer also der Durchmesser der verwendeten Fäden ist, desto· höher ist die Dichte, bei der das Minimum des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit auftritt. Als praktische Regel folgt also, daß eine Dichte von 0,15 bis 0,2 g je cm3 nötig ist, um gegen Atmosphärendruck abzustützen, so daß also diese Zahl eine praktische, untere Grenze bezüglich der Dichte das verwendeten. Materials darstellt. Die obere Grenze hängt ganz davon ab, welche Abweichung von dem möglichen Minimalwert zugelassen werden kann. Jedenfalls gibt die Fig. 8 eine Beziehung zwischen dem Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit und der Dichte des Füllmaterials, so daß für jede Fadenart eines gegebenen durchschnittlichen Durchmessers der Minimalwert des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit und die optimale Dichte bestimmt werden kann.Another factor which influences the effectiveness of the filler material as it is to be used according to the invention is the material density. As shown in FIG. 8, the coefficient of thermal conductivity decreases with the decrease in density to a minimum value, while it increases again with a further decrease in density. It is seen from Fig. 8, that a see a minimum value of conductivity of slightly less than g · io ~ 6 cal / cm 0 C of glass filaments having an average diameter of i, 5 x io- 3 cm existing filling material in \ r acuum has when the material has a density of approximately 0.25 g per cm 3 . When the density to about 1.2 g per cm 3 is increased, the coefficient of thermal conductivity decreases to 20 · 10 -6 cal / cm 0 C to see and also increases, namely to about 25 · Kr "6 cal / cm 0 C see if the density is lowered to 0.05 g per cm 3. Of course, a certain range of density can be allowed, depending on the deviation from the minimum value in the thermal conductivity allowed, but curve 8 gives a relationship, from the optimal point for two different filler materials Similar curves can be learned according to the invention to be used in kind with the use of glass fiber having an average diameter of 0.325 · 10- 3 cm or 1.5 x 10- 3 cm of. can be It can be seen that the point of lowest thermal conductivity depends on the density and also on the diameter of the threads used. an average diameter of 0.325 · 10- 3 cm have, to reach the minimum value of the coefficient of thermal conductivity of 6 x io ~ 6 cal / cm ° C lake, when the density is about 0.175 g per cm 3. J: The larger the diameter of the threads used, the higher the density at which the minimum of the coefficient of thermal conductivity occurs. As a practical rule, it follows that a density of 0.15 to 0.2 g per cm 3 is necessary in order to provide support against atmospheric pressure, so that this number is a practical, lower limit with regard to the density used. Material represents. The upper limit depends entirely on what deviation from the possible minimum value can be permitted. In any event, Fig. 8 gives a relationship between the coefficient of thermal conductivity and the density of the filler material so that for each type of thread of a given average diameter the minimum value of the coefficient of thermal conductivity and the optimum density can be determined.
Wie weiter oben erwähnt, sind Vakuumisolatoren, z. B. Dewar flaschen, ohne Füllmaterial benutzt worden, wobei die Querschnitte im allgemeinen kreisförmig waren, so daß die Wände dem äußeren Druck standhalten konnten. Abgesehen davon, daß derartige Anordnungen nur in der Beschränkung auf bestimmte Gefäßformen möglich sind, bestehen aber auch noch andere Beschränkungen hinsichtlich der praktischen Anwendung solcher Anordnungen in Haushaltskühl schränken u. dgl. Um die Isolationsfähigkeit aufrechtzuerhalten, muß nämlich der Druck wenigstens auf ι Mikron Quecksilbersäule gehalten werden. Bei der Massenherstellung von verhältnismäßig großen Gegenständen, wie Haushaltskühlschränken u. dgl., bei denen Vakuumisolierkörper zur Erhöhung des Fassungsvermögens nützlich sein könnten, ist die Herstellung und Aufrechterhaltung dieses sehr niedrigen Druckes schwierig, weil eine sehr sorgfältige Evakuierung nötig ist und diese hohen Vakuumgrade durch Gasausbrüche aus dem Metall der Wände später verschlechtert werden können. Das erfindungsgemäß zu verwendende Isoliermaterial vermeidet diese Schwierigkeit, wie aus Fig. 6 hervorgeht, in welcher der wirksame Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit von Füllmaterialien mit einem durchschnittlichen Fadendurchmesser von 0,325 · io~3 und 1,5 · io~~3 cm über dem Innendruck aufgetragen ist." Fig. 6 zeigt, daß bei 0,325 · io~~3 cm Fadendurchmesser der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit sehr wenig zunimmt, bis ein Druck von 1000 Mikron Quecksilbersäule erreicht ist. Bei 1,5 · 10—3 Fadendurchmesser nimmt bis über 100 Mikron der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit sehr wenig zu. Daher können bei der erfindungsgemäßen Anordnung Drucke von etwa 100 Mikron an Stelle von 1 Mikron zugelassen werden, ohne daß die Wärmeisolation sich verschlechtert. Wie oben bemerkt, ist dies von besonderer Bedeutung, wenn der Isolationskörper im Massenherstellungsverfahren fabriziert werden soll und wenn die Wände im Gegensatz zu Glaswänden von Dewargefäßen aus Metall bestehen, die während langer Zeiten gewisse Gasmengen abgeben und daher den Druck im Vakuumraum ansteigen lassen können.As mentioned above, vacuum isolators, e.g. B. Dewar bottles, without filler material, the cross-sections were generally circular so that the walls could withstand the external pressure. Apart from the fact that such arrangements are only possible when restricted to certain vessel shapes, there are also other restrictions with regard to the practical use of such arrangements in domestic refrigerators and the like will. In the mass production of relatively large items, such as household refrigerators and the like. Where vacuum insulators could be useful to increase the capacity, the production and maintenance of this very low pressure is difficult because very careful evacuation is necessary and these high degrees of vacuum from gas bursts from the metal of the walls can later deteriorate. The insulating material to be used according to the invention avoids this difficulty, as can be seen from FIG. 6, in which the effective coefficient of thermal conductivity of filler materials with an average thread diameter of 0.325 × 3 and 1.5 × 10 -3 cm is plotted against the internal pressure is. "Fig. 6 shows that, at 0.325 · io ~~ 3 cm thread diameter of the coefficient of thermal conductivity increases very little, until a pressure of 1000 microns of mercury is reached. at 1.5 · 10- 3 thread diameter increases to over 100 Microns the coefficient of thermal conductivity to very little. Therefore, with the arrangement according to the invention, pressures of about 100 microns instead of 1 micron can be allowed without the thermal insulation deteriorating. As noted above, this is of particular importance when the insulation body is in Mass production process is to be fabricated and if the walls of metal dewars are best in contrast to glass walls hen that give off certain amounts of gas over long periods of time and can therefore increase the pressure in the vacuum space.
Man sieht aus Fig. 8, daß bei thermischen Isolationsanordnungen der erfindungsgemäßen Art der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit für eine gegebene Dichte mit dem Durchmesser der Fäden ansteigt. Die Wirksamkeit des Fadenmaterials bezüglich der Wärmeisolation nimmt mit abnehmendem. Fadendurchmesser bis zu den kleinsten heute verfügbaren Fäden zu. Als spezielles Beispiel. sei genannt, daß Wärmeisolatoren gemäß der Erfindung mit geringer Wärmeleitfähigkeit unter Verwendung von Fäden aus iao Glas mit einem Durchmesser von 2,5 · 10—3 cm oder weniger gebaut werden können. Wenn Fäden mit sehr verschieden großem Durchmesser und derselben Isolierfüllung verwendet werden, führt dies zu einer Überbrückung mancher Fäden, so daß dort dann kein Kontakt für die körperlicheIt can be seen from FIG. 8 that in thermal insulation arrangements of the type according to the invention the coefficient of thermal conductivity for a given density increases with the diameter of the filaments. The effectiveness of the thread material in terms of thermal insulation decreases with decreasing. Thread diameter up to the smallest thread available today. As a specific example. be mentioned that heat insulators of the invention with low thermal conductivity using threads of iao glass with a diameter of 2.5 x 10- 3 cm or less can be constructed in accordance with. If threads with very different diameters and the same insulating filling are used, this leads to a bridging of some threads, so that there then no contact for the physical
Wärmeleitung zustande kommt. Um die Zunahme an Kontaktfläche, die unter dem äußeren Druck stattfindet, möglichst gering zu halten, werden die Fäden aus hartem Material, z. B. aus Glas, hergestellt. Als Beispiel sei erwähnt, daß Glasfäden mit einem Young-Wert von 492 · —6 g je cm2 oder mehr gut verwendbar sind. Natürlich ändert sich die körperliche Leitfähigkeit des Füllmaterials mit der Leitfähigkeit des Materials, aus dem die Fäden bestehen. Als ein weiterer Zahlenwert sei erwähnt, daß die thermische Leitfähigkeit des Fadenmaterials vorzugsweise weniger als 0,0035 cal/cm ° C see betragen soll. Die Zugfestigkeit der Fäden muß so hoch sein, daß unter atmosphärischer Belastung nur wenige Fäden brechen. Viele Fadenbrüche wurden die Umwandlung des Fadenmaterials in ein Material, das annähernd die Eigenschaften eines Pulvers oder eines koirnförmigen Fülknaterials hat, herbeiführen.Thermal conduction comes about. In order to keep the increase in contact area that takes place under the external pressure as low as possible, the threads are made of hard material, e.g. B. made of glass. As an example it should be mentioned that glass threads with a Young value of 492 · 6 g per cm 2 or more can be used. Of course, the physical conductivity of the filler material changes with the conductivity of the material from which the threads are made. As a further numerical value it should be mentioned that the thermal conductivity of the thread material should preferably be less than 0.0035 cal / cm ° C see. The tensile strength of the threads must be so high that only a few threads break under atmospheric stress. Many thread breaks would lead to the transformation of the thread material into a material which has approximately the properties of a powder or a spherical filler material.
Die Zugfestigkeit soll beispielsweise wenigstens 105 · io2g je cm2 betragen.The tensile strength should, for example, be at least 105 · 10 2 g per cm 2 .
Die Länge der Fäden kann innerhalb eines weiten Bereichs schwanken, jedoch soll ' die Minimalmenge noch genügend groß sein, um mehrere nebeneinanderliegende Fäden zu überbrücken, so daß die Fäden sich nicht verschieben und bei der Handhabung vor der Kompression die gewünschte Orientierung beibehalten.The length of the threads can vary within a wide range, but should 'die The minimum amount must still be large enough to bridge several threads lying next to one another, so that the threads do not shift and when handling before compression the Maintain the desired orientation.
Wie oben erwähnt, können gewisse im Handel befindliche Isoliermaterialien als Füllstoffe verwendet werden, wenn man ,sie zwischen den Wänden in der erfindungsgemäßen Weise anordnet. Es sei bemerkt, daß solche handelsüblichen Materialien gewisse Bindemittel und gewisse Schmiermittel enthalten. Es wurde gefunden, daß zur Erreichung der besten Isolationswirkung des fadenförmigen Füllmaterials Bindemittel und Schmiermittel vermieden werden müssen, d. h. daß die Oberflächen der Fäden sauber sein müssen. Die Füllmaterialien gemäß der Erfindung haben bei einer Belastung durch eine Atmosphäre Außendruck einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von 10,6 ■ 10—6 cal/cm ° C see. Bei Zusatz eines Schmiermittels, wie es üblicherweise in heutigen Kühlschränken verwendet wird, ist dieser Wert bis auf 17,8 · io""6 gestiegen. Ebenso hat ein Füllmaterial mit einer Leitfähigkeit von etwa 10 · io~~6 durch Zusatz eines üblichen Bindemittels eine Leitfähigkeit von etwa 20 ■ io~6 angenommen.As noted above, certain commercially available insulating materials can be used as fillers when placed between walls in the manner of the invention. It should be noted that such commercially available materials contain certain binders and certain lubricants. It has been found that, in order to achieve the best insulating effect of the thread-like filler material, binders and lubricants have to be avoided, that is to say that the surfaces of the threads have to be clean. The filling materials according to the invention have at a load through an atmosphere external pressure a coefficient of thermal conductivity of 10.6 ■ 10- 6 cal / cm ° C lake. With the addition of a lubricant, as is commonly used in today's refrigerators, this value has risen to 17.8 · 10 "" 6. Also, a filler material having a conductivity of about 10 x io ~~ 6 adopted by addition of a conventional binder, a conductivity of about 20 ■ io ~. 6
Ferner haben Schmiermittel und Bindemittel die Eigenschaft, Gase abzugeben, so daß der Druck in dem Isolierkörper erheblich erhöht wird und die Isolationswirkung, die von der Aufrechterhaltung eines verhältnismäßig geringen Drucks abhängig ist, sinkt.Furthermore, lubricants and binders have the property to give off gases, so that the pressure in the insulating body is significantly increased and the insulating effect that comes from maintaining it a relatively low pressure is dependent, decreases.
Bei dem beschriebenen Isolierkörper wird die Wärmeleitung im Gase durch eine Evakuierung auf einen Druck, bei dem die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle groß gegenüber der Porengröße des Füllmaterials ist, auf einem Minimalwert gehalten. Die körperliche Leitfähigkeit des Füllmaterials wird dadurch auf einen Minimalwert gebracht, daß man ein Füllmaterial benutzt, welches aus vielen dünnen Fäden aus Glas oder einem ähnlichen Stoff besteht, die in einer Viel- 6g zahl von praktisch parallelen Ebenen liegen und innerhalb dieser Ebenen regellos orientiert sind. Diese Ebenen verlaufen etwa in der Richtung der Wände und somit senkrecht zur Richtung des Wärmeübergangs zwischen den Wänden. Für den körperlichen Wärmeübergang entstehen daher lange vielfach gewundene Wege. Der Wärmeübergang durch Strahlung wird ebenfalls durch das verwendete Füllmaterial auf einem Minimalwert gehalten. Jede der parallelen Ebenen bildet eine Fläche, welche den Wärmeübergang durch Strahlung vermindert. Da der Wärmeübergang durch Strahlung sich mit der vierten Potenz der Temperaturdifferenz ändert, fällt der Wärmeübergang durch Strahlung tatsächlich dann sehr klein aus, wenn man eine Vielzahl von parallelen Ebenen oder Schichten von regellos orientierten Fäden vorsieht und somit den Raum zwischen den Wänden in viele kleine Teile zerlegt, in denen die Temperaturdifferenz klein ist gegenüber der ganzen ander Platte liegenden Temperaturdifferenz.In the case of the insulating body described, the heat conduction in the gases is achieved by evacuation to a pressure at which the mean free path of the gas molecules is large compared to the pore size of the filler is kept to a minimum. The physical conductivity of the Filler material is brought to a minimum value by using a filler material which consists of many thin threads of glass or a similar material, which are 6g number of practically parallel planes and are randomly oriented within these planes. These planes run roughly in the direction of the walls and thus perpendicular to the direction of the Heat transfer between the walls. For the physical transfer of heat therefore arise long and winding paths. The heat transfer through radiation is also controlled by the used filler material is kept to a minimum. Each of the parallel planes forms one Area that reduces the heat transfer through radiation. Because the heat transfer through Radiation changes with the fourth power of the temperature difference, the heat transfer drops due to radiation actually looks very small if one has a multitude of parallel planes or layers of randomly oriented threads and thus the space between the walls broken down into many small parts in which the temperature difference is small compared to the whole temperature difference lying on the plate.
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