Thermische Isolation zum Einbringen zwischen zu isolierende Gebilde
Die Erfindung betrifft eine thermische Isolation zum Einbringen zwischen zu isolierende Gebilde, Flachen, Bauteilwandungen, u a
In vielen technischen Anwendungsgebieten besteht oftmals das Problem, daß Flachen, Bauteile, oder Wände zwischen denen ein Temperaturgradient herrscht, voneinander isoliert werden müssen Insbesondere besteht dieses Problem in Warmebehandlungsanlagen wie zum Beispiel in Hochtemperaturofen in Hochtemperaturofen die mit Luft betrieben werden, werden üblicherweise faserahnliche Stoffe zur thermischen Isolation eingesetzt Diese Werkstoffe besitzen ein ausgezeichnetes thermisches Isolationsvermogen, zeigen jedoch den Nachteil, daß wahrend der Nutzung feinste Faserbestandteile freigesetzt werden Derartige Faserbruchstucke zeigen gesundheitsschädigende Wirkungen und fuhren infolge von Faserablagerungen auf dem Gluhgut zur Schädigung der Produkte Neben der thermischen Isolation am Ofenbau spielen derartige Materialien bei der Warmeisolation von Gebäuden ein Rolle Bei weiteren technischen Anwendungsbereichen ist eine hochwirksame thermische Isolation nur mit hohem herstellungstechnischen Aufwand möglich Dies beruht darauf, daß üblicherweise ein Vakuum zwischen zwei voneinander zu isolierenden Flachengebilden notwendig ist
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine thermische Isolation anzugeben, die sehr gute Eigenschaften besitzt und die gleichzeitig technisch einfach und kostengünstig herstellbar ist
Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelost Die Unteranspruche stellen vorteilhafte Weiterbildungen
Die vorgeschlagene Losung sieht vor, daß Silizide, Silizid-Komposite, Metalle und Intermetalle und deren Legierungen, Keramik und Glaser in Form von Hohlkugeln eingesetzt werden Dabei ist es wesentlich, daß das Verhältnis des Durchmessers der Hohlkugel zu ihrer Wandstarke zwischen 5 und 300 betragt Die Hohlkugeln werden zwischen zwei Flachen, die von einander isoliert werden sollen lose geschüttet, oder miteinander durch Sinterkontakte verbunden, eingegeben Diese voneinander zu isolierenden Flachen oder Gebilde stellen gleichzeitig die Begrenzungsflachen der thermischen Isolation dar Die verwendeten Hohlkugeln besitzen den Vorteil, daß eine geringe Dichte der Isolation erreicht wird, sie liegt zwischen 0,1 und 1 ,5 g/cm3 Durch Verwendng gasdichter Hohlkugeln, bei denen das Verhältnis zwischen dem Innendruck und dem Luftaußendruck bei Raumtemperatur 0 bis 0,1 liegt wird die Konvektion, d h der Warmetransport über Gasbewegung stark reduziert Durch den Einsatz von Siliziden und Si zid-Kompositen als
Grundmaterial für derartige Hohlkugeln, wird die Möglichkeit geschaffen im Bereich der Hochtemperaturofen-technik einen faserfreien Isolationswerkstoff herzustellen, der in seiner Einsatztemperatur bis etwas 1800 °C an Luft einsetzbar ist Aus Kostengrunden und bei niedrigeren Einsatztemperaturen werden Metalle, Legierungen, Glaser und Keramiken eingesetzt
Besonders hohe Temperaturgradienten entstehen zwischen dem Innenraum und dem Gehäuse eines Warmebehandlungsofens Die aus Hohlkugeln bestehende thermische Isolation eignet sich zum Einsatz bei derartigen Ofen besonders gut Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auskleidung des Ofeninnenraumes aus dem gleichen Werkstoff besteht wie die Hohlkugeln Bestimmte Arten von Warmebehandlungsofen sind mit Strahlungsabschirmblechen zur thermischen Isolation versehen Durch das Verfullen der vorliegenden Blechzwischenraume mit Hohlkugeln gleichen Werkstoffs, wird eine Verbesserung der Warmeisolation erreicht
Eine weitere Verbesserung der Isolationseigenschaften wird dadurch erreicht, daß die Oberflachen der Strahlungsabschirmbleche und der Hohlkugeln mit reflektionsverandernden Schichten versehen werden Wegen der meistens nicht übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten des Basiswerkstoffs und der Reflektionsschicht ist eine ausdehnungsanpassende Zwischenschicht vorgesehen, die gleichzeitig als Sauerstoffdiffusionsbarriere wirken kann Die Zwischenschichten werden in ihren Eigenschaften den Werkstoffeigenschaften der Hohlkugeln und der äußeren Reflektionsverandernden Schicht angepasst Beispielhaft bestehen sie im Falle einer Zr02 Außenschicht aus einer Metall-Chrom-Aluminium-Yttπum Verbindung besteht Diese Zwischenschicht verhindert eine weitere Oxidation des Basiswerkstoffes
Insbesondere in Hochtemperaturluftofen und im Falle von möglichen Wechselwirkungen der Werkstoffe mit der Atmosphäre gelingt es, durch bestimmte keramische Einlagerungen Schädigungen der Werkstoffe auszuschließen
Die Hohlkugeln aus Silizide und Silizid-Kompositen sowie aus Keramiken werden im Wege pulvertechnologischer Verfahren hergestellt Metallische Hohlkugeln sind sowohl auf dem pulvermetallurgischen Wege als auch über galvanische Prozeße herstellbar
Strahlungsabschirmbleche können sowohl pulvertechnologisch (Silizide, Silizid-Komposite und Keramiken) als auch guß- oder verformungsmetallurgisch (Metalle) hergestellt werden Eine besondere Möglichkeit, Strahlungsabschirmbleche als dünnwandige Bleche herzustellen ist das Foliengießen mit anschließendem Entbindern und Sintern Ebenso anwendbar sind das Metallpulverspritzgießen und das Extrudieren
Typische Wandstarken für Hohlkugeln und Strahlungsabschirmbleche liegen zwiscnen 10 und 5000μm Als besonders vorteilhaft haben sich Wandstarken von 50 bis 1000μm herausgestellt
Die Verwendung von Si ziden und Silizid-Kompositen ist besonder vorteilhaft bei der Hestellung von Hohlkugeln die unter Luftatmosphare in Hochtemperaturofen eingesetzt werden Silizid und Silizid-Kompositen bilden bei hohen Temperaturen und Luftatmophare die eine vortschreitende Oxidation im Innern der Hohlkugel verhindern Im Falle der Verwendung von metallischen Hohlkugeln und metallischen Strahlunsabschirmblechen, die unter oxidativer Atmosphäre betrieben werden, sind Beschichtungen aus oxidationsschutzenden Silizidschichten vorgesehen Zur funktionsbedingten Anpassung können diese gradiert aufgebaut sein Dies ist insbesondere dann der Fall wenn einerseits eine Anpassung des Ausdehungskoeffizienten an den Grundwerkstoff und andererseits die Anpassung an die chemische Reaktivität der Umgebung erreicht werden soll
Anstelle von Silizidschichten können auch direkt hochschmelzende Glaser verwendet werden, die aus hochschmelzenden Oxiden bestehen, wie Y203, Zr02, HF02 und ähnlichen alleine oder in der Mischung mit Sι02
Schichten aus hochschmelzenden Glasern sind auch im Falle von dünnwandigen Silizidhohlkugeln vorgesehen, da diese selbststandig keine ausreichend dicke Glasschicht bei hohen Temperaturen und bei Luftatmosphare bilden
Nachfolgende Verfahren zur Herstellung von funktionellen Beschichtungen der Hohlkugeln und Strahlungsabschirmblechen haben sich als vorteilhaft erwiesen Schlickergießen, Eintauchen in Schlicker und Sintern, thermische Spritzverfahren, sowie Naßpulverspritzen
Die Hohlkugeln können durch Sintern zu Halbzeugen in Form von plattenahnlichen Bauteilen verbunden werden Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die Kugelhaufwerke direkt mit Strahlungsabschirmblechen zu verbinden
Die Erfindung wird anhand von nachfolgenden Beispielen naher erläutert
Beispiel 1 Mo- und Si-Pulver werden in einer Hochenergiemuhle zu einem feindirspersen
Kopmositpulver gemahlen, wobei die Elemente Mo und Si vorzugsweise laminar verteilt sind und die lamellenabstande einige 10nm betragen (DE 44 18 598) In dieses Pulver, daß aus Agglomeraten besteht, die einige μm im Durchmesser betragen, wird SiC-Pulver (Teilchengroße
ca 1 bis 10 μm) zugesetzt und bis zur homogenen Verteilung in den Agglomeraten gemischt Aus der Mo-, Si- und SiC Mischung werden duch Pressen und Sintern Bleche mit einer Dicke von ca 1 mm hergestellt Entsprechend der Konstruktion gemäß Figur 2 erfolgt der Zusammenbau der Strahlungsabschirmbleche, wobei weitere erforderlichen Konstruktionsteile (Stabe, Stifte, Winkel, etc ) aus dem gleichen Werkstoff, d h den gleichen Ausgangspulvern durch pressen, sintern und Fertigbearbeitung gefertigt werden Ebenfalls aus den gleichen Ausgangspulvern werden über Naßpulver-Wirbelschichtverfahren Styroporkugeln mit einer Suspension, bestehend aus, dem o g Ausganspulver, einem organischen Losemitel Bindern, beschichtet Nach dem Trocknen werden die so entstandenen Kugeln durch hinreichend langsames Aufheizen (2 K/min) auf 1000 °C unter einer Ar-Wasserstoff-Mischung (6,5 vol-% Wasserstoff) entbindert Danach erfolgt das Aufheizen (10 K/min) auf 1600 °C unter Vakumm Nach einer Haltezeit von 60 min liegen Hohlkugeln mit einer Wandstarke von 200 μm vor Diese werden zwischen die oben beschriebenen Strahlungsabschirmbleche geschüttet
Beispiel 2 Unter Verwendung von feien, sinterbaren Pulvern (ca 10 μm) aus einer schlecht wärmeleitenden Cr-Ni-Legierung wird der im Beispiel 1 beschriebene Weg zur Herstellung von Hohlkugelrohlingen durch Beschichtung von Styroporkugeln mit einer Metallpulver-Binder- Suspension angewendet Nach dem Trocknen werden die Teile unter Argon-Wasserstoff in der oben beschriebenen Weise entbindert und anschließend bei 1270 °C im Hochvakuum gesintert, bis eine geschlossenpoπge Wandstruktur vorliegt und somit gasundurchlässige Hohlkugeln entstanden sind Nachdem diese Hohlkuglen mit anderen Hohlkugeln passenden Durchmessers vermischt wurden, die eine maximale Raumausfullung erlauben, werden diese Mischung zwischen die innere und äußere Wand einer Isolierkanne gegeben Auf diese Weise gelingt es, eine Vakuumisolation als thermische Isolation zu erreichen, ohne daß die übliche zerbrechlichen Glaskolben verwendet werden
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den nachfolgenden Figuren dargestellt
Fig 1 Hochtemperaturmuffelofen ausgekleidet mit Mo- Silizid Strahlungsabschirmbelchen
Fig 2 Hochtemperaturluftofen isoliert mit Strahlungsabschirmblechen mit Mo- Si zid- Kompositen
Fig 3 Hochtemperaturluftofen isoliert mit Strahlungsabschirmblechen und Hohlkugelhalbzeugen aus Mo- Silizid-Kompositen
Fig 4 Eine Darstellung des Prinzips der Strahlungsabschirmung für unbeschichtete Hohlkugeln
Fig 5 Detail „A" der Fig 4
Fig 6 Detail „A" der Fig 4 wobei die Hohlkugel beschichtet ist
Fig 7 Detail „A" der Fig 4 wobei die Hohlkugel mit einer reflektierenden und einer haftvermittelnden Schicht beschichtet ist
Fig 8 Anordnung von Silizid-Hohlkugeln und Silizid-Abschirmblechen als thermische Isolation
Fig 9 Ein Ausschnitt aus einer Hohlkugelschuttung mit beschichteten Hohlkugeln
In Fig 1 ist ein Hochtemperaturmuffelofen der Luft als Prozessgas verwendet, dargestellt Der Ofen weist ein Gehäuse 1 auf, das mit Luftungschlitzen 2 und 3 versehen ist, zum Zweck der Konvektionskuhlung Der Ofen steht auf Fußen 4, die ein Luftzutritt von unten ermöglichen Die thermische Isolation erfolgt durch Fasermatten 19 im äußeren Bereich der Muffe! 1 1 und durch keramische Leichtsteine 6, die die Muffel 1 1 bilden Der Ofen wird durch einen Heizer 7 elektrisch beheizt eine Regelung und Einspeisung erfolgt mittels Stromversorgung 8 Die Blechumhullung 5 sorgt für die Verminderung des Faserfluges aufgrund der Konvektionsluft zwischen dem Gehäuse 1 und der Blechumhullung 5 Die innere Muffel 1 1 ist mit einem Silizidabschirmblech 10 ausgekleidet Wahrend des Betriebes der Anlage wird nunmehr verhindert, daß bei raschen Temperaturwechseln oder bei anderen Prozessen Partikel abgelost werden und auf das Gluhgut 9 fallen und dieses schadigen
In Fig 2 ist ein Hochtemperaturofen dargestellt, bei dem die thermische Isolation Strahlungsabschirmbleche 12, 13 unterschiedlicher Große aufweist Die Stutzstabe 14, 1 5 für die Strahlungsabschirmbleche 12, 13 sind ebenso wie diese aus Silizid-Komposit gefertigt Durch die Anordnung der Strahlungsabschirm 12, 13 wird erreιcht,daß die Wärmestrahlung nicht direkt auf das Gehäuse 1 trifft, vielmehr sorgen mehrere Lagen der Strahlungsabschirmbleche dafür daß eine geringe Erwärmung des Gehäuses 1 auftritt und damit eine hochwirksame thermische Isolation erreicht ist
Der in Fig 3 dargestellte Ofen entspricht in seinem grundsätzlichem Aufbau dem Ofen der Fig 2 Der Raum zwischen dem äußersten Strahlungabschirmblech 16 und dem Gehäuse 1 ist mit einer Schuttung 17 aus Hohlkugeln 18 eines Silizidwerkstoffs gefüllt Die Schuttung ist in diesem Fall in Form von Halbzeugen 17 als plattenformige Bauteile dargestellt Durch die Halbzeuge 17 wird
erreicht, daß der äußere Bereich des Ofens ahnlich dem eines VakuumoTens isoliert ist, weil die Hohlkugeln 18 den größten Teil des Volumens ausmachen und in ihrem Innern evakuiert sind Diese zusätzliche thermische Isolation sorgt dafür, daß die Wärmeübertragung nach außen drastisch vermindert wird
In Fig 4 ist schematisch ein Hochtemperaturofen dargestellt Dieser weist Heizelemente 7, und eine Hohlkugelschuttung als Halbzeug 17 auf Diese Figur zeigt die Stahlungsverhaltnisse in der Muffel 1 1 , insbesondere die vom Heizer 7 auf die Hohlkugelschuttung 1 7 einfallende Strahlung, die geringfügig an den Hohlkugeloberflachen 18 reflektiert wird Der Grad der Reflektion hangt wesentlich von der Oberflachenbeschaffenheit der Hohlkugel 18 ab
In Fig 5 sind die Strahlungsverhaltnisse zwischen der Heizeroberflache gegenüber der Hohlkugeloberflache dargestellt Die vom Heizer 7 ausgehende und auf die Hohlkugeloberflache 18 einfallende Strahlung wird nur zu einem Bruchteil reflektiert, da der Reflektionsgrad des verwendeten Materials gering ist Durch die Wandung 21 der Hohlkugel 18 dringt ein Warmestrom, der ein Strahlungsfeld zur Innenseite der Kugel verursacht
Aus Fig 6 ist deutlich entnehmbar, daß auch eine glasige Oxidschicht 22 die reflektierte Strahlung kaum beeinflußt, so daß an der Innenseite der Hohlkugel 18 die gleiche Abstrahlung wahrgenommen werden kann
Gemäß Darstellung der Fig 7 weist die Wandung 21 der Hohlkugel 18 zwei funktionelle Schichten 23, 24 auf Die Schicht 24 besitzt einen hohen Reflektionsgrad, was dazu fuhrt, das die vom Heizer 7 einfallende Strahlung zu ca 50 Prozent reflektiert wird Der an der Innenseite der Hohlkugel 18 abgestrahlte Anteil betragt demgemäß ebenfalls ca 50 Prozent Insbesondere handelt es sich bei der Schicht 24 um Zr02, ein Material, das neben einem hohen Reflektionsgrad eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist Da die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe für die Hohlkugel 18 und die äußere Schicht 24 stark unterschiedlich sind, ist eine Zwischenschicht 23 erforderlich die diesen Unterschied als ausdehnungsanpassende Schicht ausgleicht Darüber hinaus verhindert die Zwischenschicht 23, daß Sauerstoff bis zur Hohlkugel 18 eindringt Als Material für die Schicht 24 ist eine Metall-Al-Cr-Y Legierung vorgesehen
In Fig 8 sind Strahiungabschirmbleche 12, 13 sowie eine zwischen diesen befindliche lose Hohlkugelschuttung 25 dargestellt Diese Anordnung verbindet einerseits die Abschirmung der Wärmestrahlung und andererseits vermindert sie den Anteil der Konvektion an der Wärmeübertragung über die Hohlkugelschuttung 25
Bei den Figuren 4 bis 8 handelt es sich um Ausfuhrungsformen der thermischen Isolation von Hochtemperaturofen
Fig 9 zeigt Hohlkugeln 18 aus einer Hohlkugelschuttung 25 die sich nur punktformig (Punkte 26) berühren Dies hat zur Folge, daß der Anteil der Warmeleitung über Festkorperkontakte minimiert wird Da es sich um eine Schuttung handelt, die aus kugelförmigen Korpern besteht, berühren sich diese bei einer losen Schuttung immer nur punktformig, wobei bei anderen Korperformen die punktformige Berührung neben flächigen Kontakten auftritt Das bedeutet, daß die Gesamtflache, die eine hohe Warmeubergangszahl besitzt, minimiert ist Die Wärmeübergänge, Gas-Festkorper tragen wesentlich weniger zum Warmetransport bei Eine weitere Verringerung des Warmetransportes wird dadurch erreicht, daß die Außenschicht 24 der Hohlkugel 18 aus einem Material besteht, daß eine sehr schlechte Warmeleitung besitzt Bei Verwendung von Hohlkugelhalbzeugen 17 bei denen die Hohlkugeln 18 durch Sinterkontakte miteinander verbunden sind, liegen geringfügig ungunstigere Warmeubergangszahlen gegenüber der losen Hohlkugelschuttung vor Die Hohlkugelhalbzeuge 17 besitzen jedoch den Vorteil einer einfacheren Handhabung