WO2021175594A1 - Elektrisch entkoppelte hochtemperaturthermoisolation - Google Patents

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WO2021175594A1
WO2021175594A1 PCT/EP2021/053889 EP2021053889W WO2021175594A1 WO 2021175594 A1 WO2021175594 A1 WO 2021175594A1 EP 2021053889 W EP2021053889 W EP 2021053889W WO 2021175594 A1 WO2021175594 A1 WO 2021175594A1
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flat material
interruption
insulation element
insulation
flat
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/053889
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Inventor
Frank Eiselt
Bojan JOKANOVIC
Original Assignee
Sgl Carbon Se
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Publication date
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Priority to US17/908,024 priority patent/US20230083865A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003—Linings or walls
    • F27D1/0006—Linings or walls formed from bricks or layers with a particular composition or specific characteristics
    • F27D1/0009—Comprising ceramic fibre elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0006—Electric heating elements or system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0006—Electric heating elements or system
    • F27D2099/0015—Induction heating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an insulation element for thermal insulation of an inductively heatable high-temperature treatment zone, a set of insulation element sections for forming an insulation element comprising the insulation element sections, a method for producing a flat material that can be used for insulation of an inductively heated high-temperature treatment zone, and the use of the insulation element for thermal Isolation of an inductively heated high temperature treatment zone.
  • a method for producing high-temperature-resistant insulating bodies in which, among other things, several curved segments made of a material based on expanded graphite to a density between 0.02 and 0.3 g / cm 3 to form a hollow cylindrical component be put together.
  • the cohesion of the individual segments is ensured by a carbonizable binder which contains flat anisotropic graphite particles.
  • a graphite foil is also arranged on the inner surface of the hollow cylindrical insulating body.
  • WO 2011/106580 A2 discloses an insulating body made from a carbon fiber material for a reactor, which is composed of several plate-like individual components. The individual components can be coupled by "tongue and groove" plug connections using further connecting elements.
  • the utility model CN202610393U describes a heat preservation device for the production of sapphire crystals, in which a circumferential graphite felt seal is formed by joining three fan-shaped soft felts.
  • CN102748951A describes a heat-insulating material in the form of a unit formed from fins.
  • the lamellas have grooves and tongues that can be plugged together to form a circular arc-shaped thermal insulation cylinder.
  • the structure of lamellas is intended to enable local replacement and repair of damaged parts.
  • the thermal insulation property should be excellent and the service life should be long.
  • the thermal insulation cylinder can be conveniently stored and transported. With it, the operating costs should be able to be reduced significantly.
  • DE68920856 T2 describes a tubular heat insulator, consisting of (a) spirally wound layers of carbon fiber felt containing carbonized resin, and (b) between the felt layers, which form a continuously laminated tubular element, carbonized film and / or mesh and resin present between the felt layers, wherein the felt layers are integrally bonded to one another by carbonized resin present between the felt layers.
  • the heat insulator should have a high bulk density in which heat insulation property and surface smoothness are excellent. Its mass density should be variable in the direction of the radius. The heat insulator should also be producible with high productivity without performing a complicated process.
  • WO 2013/174898 A1 describes a thermal insulation body made of a material comprising carbonized fibers and / or graphitized fibers for lining a high-temperature furnace, the thermal insulation body being assembled from at least two individual parts, with at least two assembled individual parts each having at least one connecting element and the connecting elements of the at least mature two assembled items with the formation of an undercut form-fitting into one another.
  • a substrate to be treated for example a fiber substrate in glass fiber production
  • a High temperature treatment zone led.
  • the temperature in the high temperature treatment zone can be, for example, at least 800 ° C.
  • the high-temperature treatment zone must be continuously supplied with energy in order to keep the temperature in the high-temperature treatment zone in a certain, narrowly specified high range. This is done by means of inductive high-temperature heating.
  • electrical coils which are arranged around the high-temperature treatment zone, couple inductively with at least one heating element.
  • the heating element can be a high-temperature-resistant wall surrounding the high-temperature treatment zone.
  • the wall can contain graphite.
  • the object of the present invention is to provide a thermal insulation material that can be used, for example, for high-temperature furnaces for the production of glass fibers, and with which inductive high-temperature heating of a high-temperature treatment zone is possible permanently and reliably with reduced expenditure for the removal of waste heat.
  • an insulation element for the thermal insulation of an inductively heatable high-temperature treatment zone one wall of the insulation element containing a flat material, the specific electrical resistance of which p F is 10 5 to 10 1 ⁇ m, surrounding a cavity extending through the insulation element, and an interruption in which the specific electrical resistance p u is greater than P F , the interruption extending from the outer surface of the flat material into the flat material but not interrupting the flat material over the entire flat material cross section.
  • the hollow cylinder comprises an inner jacket surface, an outer jacket surface and two end surfaces.
  • the wall of the insulation element runs all around in an area delimited by the inner jacket surface and by the outer jacket surface and extends from one end face to the other end face of the hollow cylinder. It goes without saying that the hollow cylinder is merely a geometric shape used to define the invention.
  • the insulation element can be a layer composite of two hollow cylindrical materials of different lengths, e.g. a longer CFC tube on the inside, only part of the CFC tube being coated all around with the flat material on the outside.
  • the inner surface of the CFC tube may then approximately coincide with the inner surface of the hollow cylinder and the outer surface of the flat material with the outer surface of the hollow cylinder.
  • this insulation element still does not fill the entire volume of the hollow cylinder, since the flat material does not reach up to the end faces.
  • the insulation element can completely or approximately fill the entire volume of the hollow cylinder, e.g. to at least 90% by volume or at least 95% by volume, e.g. if the insulation element consists only of flat material that has the shape of a hollow cylinder.
  • the insulation element has, in addition to the flat material, additional high-temperature-stable materials that are in the composite, e.g. layer composite, can be present with the flat material.
  • the flat material together with the interruptions extending from the outer surface of the flat material into the flat material, occupies at least 20% by volume, generally at least 35% by volume, preferably at least 50% by volume, particularly preferably at least 65% Vol .-%, for example at least 80 vol .-% of the volume of the insulation element.
  • the wall of the insulation element comprises a flat material.
  • Any flat material is suitable which can withstand the high temperatures that act on the flat material from the high-temperature treatment and whose specific electrical resistance is in the range according to the invention. It is well known that various high-temperature stable flat materials can each be used permanently up to a material-specific upper temperature limit. Accordingly, the person skilled in the art selects the flat material, depending on the high-temperature application, so that the material-specific upper temperature limit is not reached as far as possible and, in particular, is not exceeded.
  • the flat material can, for example, comprise carbon fibers and / or expanded graphite. This means that the material can be used in an inert environment at high temperatures.
  • expanded graphite can be produced by treating graphite with certain acids, a graphite salt being formed with acid anions intercalated between layers of graphite. The graphite salt is then converted into expanded graphite by exposing it to high temperatures of e.g. 800 ° C.
  • the flat material is preferably a carbon-containing flat material, for example a carbon fiber-containing flat material.
  • the carbon fiber-containing flat material can be a carbon fiber-containing felt. Containing carbon fiber means that the flat material, e.g. felt, contains carbon fibers.
  • Carbon fiber is any fiber whose carbon content is at least 60% by weight, more preferably at least 80% by weight, particularly preferably at least 92% by weight, particularly preferably at least 96% by weight, very particularly preferably at least 99% by weight .-% and most preferably at least 99.5% by weight.
  • the term carbon fiber here includes carbonized and graphitized fibers. It can be rayon, panox or pitch-based carbon fibers. They can be refined on the surface, for example with pyrolytic carbon (PyC) or silicon carbide.
  • the flat material e.g. the felt
  • ceramic fibers can be contained in the flat material as further components.
  • a particularly preferred flat material is a carbon fiber felt, for example a carbon fiber soft felt or a carbon fiber hard felt. Fibers are connected in a carbon fiber hard felt. The bond can be by means of carbonized residues, e.g. carbonized phenolic resin residues.
  • the compound can also comprise the substances described above in connection with the carbon fibers, pyrolytic carbon and / or silicon carbide. This makes the felt hard, as fibers can no longer be moved against each other at the points where they are connected. Such a connection of the fibers does not exist in a carbon fiber soft felt.
  • the soft carbon fiber felt can be consolidated by needling, for example.
  • the specific electrical resistance p F of the flat material is 10 5 to 10 1 ⁇ m.
  • Graphitized carbon fibers are carbon fibers that have been obtained by pyrolysis at very high temperatures of, for example, 1600 to 3000 ° C, preferably 1700 to 2400 ° C. Graphitized carbon fibers generally conduct electricity better than carbon fibers that have not been graphitized.
  • carbon fiber is not intended to be limited to graphitized carbon fibers herein.
  • the carbon fibers comprised by the flat material can be obtained, for example, by pyrolysis at relatively low temperatures of 800 to 1600.degree. C., in particular 800 to 1200.degree.
  • the wall of the insulation element comprises an interruption in which the specific electrical resistance p is greater than p F.
  • the interruption extends from the outer surface of the flat material into the flat material. However, it does not interrupt the flat material over the entire flat material cross-section.
  • interruption does not interrupt the flat material over the entire flat material cross-section means that the flat material is continuously formed in a flat material region directly adjoining the interruption. In order to move the two flat material areas adjoining the interruption away from one another, flat material must therefore be severed.
  • the wall of the insulation element comprises only one interruption.
  • multiple breaks are preferred.
  • the number of interruptions can be at least 2, at least 3, at least 4, at least 6, at least 8, at least 10, at least 12, at least 16 or at least 20; preferably at least 3, at least 4, or at least 6. This has the effect that the detour for the current flow is increased or the electrical resistance is increased. It goes without saying that the following features that relate to the interruption are only intended to apply to one interruption, to two or more interruptions or to all interruptions.
  • the interruption can be an incision made in the flat material. Cutting in is by far the easiest way to create the break you want.
  • the flat material is only cut but not cut through. This ensures that the flat material is not interrupted by the incision over the entire flat material cross section.
  • At least part of the interruption preferably does not run orthogonally to the next two surface areas of the flat material. This has the effect that the visibility factor for the thermal radiation between the hot surface and the cold environment is reduced. The proportion of radiation that reaches the environment through the interruption is thus minimized. This radiation comes in particular from the hot surface of the susceptor.
  • the length, course and alignment of the interruption (s) on the outer surface of the flat material are preferably selected such that:
  • L t is the length of the shortest path around the flat material, which runs along the outer surface of the flat material over the interruption (s) in a central sectional plane which divides the flat material orthogonally to the longitudinal axis of the hollow cylinder into two halves of the same flat material volume,
  • L u is the length of the shortest path around the flat material, which runs from interruption to interruption in the central cutting plane, but does not lead over the interruption (s) but around the interruption (s), and a is 2, preferably 5 amounts to.
  • the interruption has a significantly higher specific electrical resistance than the flat material.
  • r u is at least 100 p F , in particular at least 1000 p F , for example at least 10,000 p F.
  • the specific electrical resistance of air is in the order of magnitude of> ⁇ 10 14 Qm, the exact value depending, among other things, on the water content of the air. If the interruption is an incision, pu is many orders of magnitude higher than p F. However, the desired deflection of the electrical current induced in the flat material around the interruption is always achieved when p u is significantly higher than p F.
  • a real insulator or an interruption in the form of an incision does not necessarily have to be present in order to achieve the desired effects according to the invention.
  • the required ratio of p u at least 100 p F can also be achieved without any difficulty with other high-temperature stable materials that can potentially be used as an interruption, such as boron nitride, as with a typical carbon fiber felt p F is approximately 10 3 Qm.
  • the measurement of the specific electrical resistance is based on DIN 51911. This standard relates to the resistance measurement of graphite.
  • the flat material extends from a first edge of the flat material to a second edge of the flat material.
  • the first edge of the flat material faces the first end face of the above-mentioned hollow cylinder used to define the invention or coincides with the first end face of this hollow cylinder.
  • the second edge of the flat material faces the second end face of this hollow cylinder or coincides with the second end face of this hollow cylinder. It is preferred if the interruption is spaced apart from at least one of the two edges and in particular from the two edges of the flat material. The interruption then does not interrupt the flat material in particular in a flat material area which extends from one end of the interruption to an edge of the flat material.
  • the interruption then preferably does not interrupt the flat material, in particular in two flat material areas, one of these two flat material areas extending from one end of the interruption to one edge and the other of these two flat material areas extending from the other end of the interruption to the other edge .
  • the flat material is then continuous in a flat material area that extends from one end of the interruption to one edge of the flat material or preferably in the two flat material areas that each extend from another end of the interruption to a different edge of the flat material educated. This has the effect that the hollow cylindrical insulation element or its flat material on the one hand becomes more stable and on the other hand does not have to be built up from individual parts on site.
  • Interruptions inclined in the same direction can be made deeper and at the same time have only a very small distance. If they were inclined in opposite directions, one interruption would merge into the other interruption, which is generally not desired. If the interruptions are incisions which merge into one another, the parts of the flat material lying between the incisions could then easily break out. Interruptions inclined in the same direction thus enable smaller distances between interruptions and thus more efficient electrical decoupling of the flat material, essentially without increasing the stability of the flat material affect. This ultimately leads to stable, easy-to-use insulation elements with a particularly weak tendency towards undesired heating of the flat material contained.
  • the interruption lies completely between two planes which run parallel to one another and whose distance is at most 25%, in particular at most 15%, e.g. at most 10% of the greatest depth of the interruption.
  • This means that the interruption is essentially flat.
  • An essentially flat incision can be made particularly easily in the flat material with a rotating blade (similar to a circular saw, only without teeth).
  • the greatest depth of the interruption then corresponds to the greatest depth of immersion of the blade, measured from the surface of the flat material in the direction of the incision.
  • the inclination of the levels is not restricted. However, it is preferred if the inclination of the planes is predetermined by the interruption in such a way that at least one of the two planes does not intersect the inner surface of the flat material or intersects it at an angle of at most 45 °.
  • the flat material has a low thermal conductivity.
  • the flat material preferably has a thermal conductivity of less than 10 Wnr 1 K 1 . This has the advantage that the dissipation of waste heat during inductive high-temperature heating of a high-temperature treatment zone can then be further reduced. If the thermal conductivity of the flat material is particularly low, less heat escapes from the high-temperature treatment zone. This also reduces the cost of removing waste heat from the hall in which the high-temperature treatment takes place.
  • the wall thickness of the flat material of the insulation element preferably varies by a maximum of 10% in at least one sectional plane.
  • the cutting plane means any plane orthogonal to the axis of the hollow cylinder. This has the advantage that undesired heat losses occur radially uniformly at least in the area of this cutting plane. This has the advantage of an even lower production waste.
  • the flat material can be a flat material which is continuous all around and contains carbon fibers, in particular a felt which is connected all around and which contains carbon fibers, for example a carbon fiber felt which is connected all around.
  • a circumferentially cohesive carbon fiber felt can be produced by using known Circular needling methods a completely continuous felt made of carbonizable fibers and the all-round connected felt is converted by high-temperature treatment in an oxygen-free atmosphere to a completely continuous carbon fiber felt. This has the advantage that the flat material has no seams or joints, so that there are no weak points at which material fatigue or delamination could occur with continued use as high-temperature insulation.
  • Circumferentially coherent means that the arrangement of fibers which are characteristic of a felt and which are interconnected in an irregular manner, which occurs in a flat felt web during the production of felts, is encircled all the way around. If you cut through the all-round, continuous, carbon fiber-containing felt orthogonally to the longitudinal axis of the insulation element, neither a beginning nor an end of the all-round carbon fiber-containing felt can be seen in the cut surface. In particular, there is no joint or seam in the cut surface.
  • the interruptions according to the invention must then all be introduced in a subsequent manufacturing step. This has the advantage that the interruptions alone counteract the heating of the flat material in a targeted manner, without having to take into account inherent inhomogeneities in the flat material, e.g.
  • the flat material can also be formed from a set of flat material elements and there can additionally be at least one joint area between the flat material elements, which interrupts the flat material over the entire flat material cross section. Then at least one of the flat material elements has at least one interruption. It is preferred if at least two flat material elements have an interruption.
  • the hollow cylindrical shape of the flat material elements is then created, for example, by joining felt mats containing carbon fibers in the joint area or in the joint areas.
  • the invention also relates to a set of insulation element sections for forming an insulation element comprising the insulation element sections, in particular for forming an insulation element specified above, wherein at least one of the insulation element sections comprises a flat material whose specific electrical resistance p F is 10 5 to 10 1 ⁇ m, and a Includes interruption in which the specific electrical resistance is p greater than p F , wherein the interruption extends from the outer surface of the flat material into the flat material but does not interrupt the flat material over the entire flat material cross-section.
  • An insulation element according to the invention can be assembled particularly easily on site from the set of insulation element sections. This is advantageous if there is not enough space to transport an insulation element formed in one piece to its place of use or to install it at the place of use.
  • an insulation element is formed, with joint areas being present as a result of the assembly, which interrupt the flat material of the individual insulation element sections over the entire flat material cross-section.
  • this is not an interruption as in the flat material itself, but a joint area, whereby the resistance in the joint area does not increase significantly. Especially if there is no gap when joining.
  • the invention relates to a method for producing a flat material which can be used for insulating an inductively heated high-temperature treatment zone, a flat material having a specific electrical resistance p F in the range from 10 5 to 10 1 Qm is cut into the sheet from a main surface of the sheet without completely cutting through the sheet.
  • the invention relates to the use of an insulation element according to the invention or an insulation element, which is formed from the set of insulation element sections according to the invention, for the thermal insulation of an inductively heated high-temperature treatment zone, e.g. for the thermal insulation of an inductively heated high-temperature treatment zone in the glass fibers or single crystals melting above 1000 ° C getting produced.
  • FIG. 1 shows a perspective illustration of a first insulation element according to the invention with an indicated coil and susceptor
  • Figure 1A shows the first insulation element according to the invention
  • Figure 1B shows a section through the first insulation element according to the invention
  • FIGS 1C and 1 D illustrate the lengths of paths around the flat material of the first insulation element according to the invention
  • FIG. 2A shows the second insulation element according to the invention
  • FIG. 2B shows a section through the second insulation element according to the invention
  • FIG. 3A shows the third insulation element according to the invention
  • FIG. 3B shows a section through the third insulation element according to the invention
  • FIG. 4A shows a section through a fourth insulation element according to the invention.
  • FIG. 4B shows a section from FIG. 4A
  • the four different embodiments of the invention shown in the figures are all insulation elements 1 for the thermal insulation of an inductively heatable high-temperature treatment zone 2.
  • a perspective illustration with an indicated coil on the outer surface 6 and susceptor on the inner surface is only shown for the first embodiment (FIG. 1) .
  • the other three embodiments can be used in exactly the same way as indicated here for the first embodiment.
  • 2B contains all four embodiments of a wall of the insulating member 2, a sheet material 3.
  • the wall is in each case from the flat material (Carbonmaschineweichfilz with thermal conductivity of significantly less than 10 Wm 1 K 1 ) formed. Its specific electrical resistance p F is 10 5 to 10 1 Qm.
  • the soft carbon fiber felt surrounds the cavity 4 extending through the insulation element 1.
  • FIGS. 1A, 2A, 3A areas of the interruptions 5 that are covered by the flat material 3 are shown in dashed lines.
  • the hidden inner surfaces of the flat material are also shown there with dashed lines.
  • the specific electrical resistance r u of the interruptions 5 is, because of the air contained therein and the severed carbon fibers, many times greater than the specific electrical resistance p F of the soft carbon fiber felt.
  • the interruptions 5 extend from the outer surface 6 of the flat material 3 into the flat material 3.
  • FIG. 1A it can be clearly seen that the interruptions 5 do not interrupt the flat material 3 in the first embodiment over the entire flat material cross section.
  • the incisions are not made up to the two edges 9 and 10 indicated in FIG.
  • the interruptions 5 are here so to the two edges 9 and 10 of the Flat material 3 spaced apart.
  • FIG. 1B it can be clearly seen that the incisions in the first embodiment are also not made up to the inner surface 7.
  • the interruptions 5 are therefore also spaced apart from the inner surface 7 here.
  • FIG. 2A shows that the incisions in the second embodiment intersect the two edges. However, according to the invention, they still do not interrupt the flat material 3 over the entire flat material cross section. This is because FIG. 2B clearly shows that the incisions are not made up to the inner surface 7, as in the first embodiment. The interruptions 5 are also spaced apart from the inner surface 7 here.
  • the incisions are not made up to the two edges (FIG. 3A). So they do not interrupt the flat material 3 over the entire flat material cross section. In contrast to the first and second embodiment, the incisions of the third embodiment cut the inner surface 7 (FIG. 3B).
  • the flat material 3 is therefore a flat material 3 which is continuous all the way around and contains carbon fibers.
  • FIGS. 1C and 1D illustrate for the first embodiment that the length, course and alignment of the interruptions 5 on the outer surface of the flat material 3 are selected such that Lu> a L t applies when a is 2.
  • Figure 1C illustrates L u .
  • L u is the length of the shortest path around the flat material 3, which runs in each case from interruption 5 to interruption 5 in the central cutting plane and does not lead over the interruptions 5 but around the interruptions 5.
  • the central sectional plane divides the flat material 3 orthogonally to the longitudinal axis of the hollow cylinder into two halves of the same flat material volume.
  • U is the length of the shortest path around the flat material 3, which runs along the outer surface of the flat material 3 over the interruptions 5 in the central sectional plane that divides the flat material 3 orthogonally to the longitudinal axis of the hollow cylinder into two halves of the same flat material volume. It is noticeable that in the embodiment shown here, L u is approximately 3 times L t .
  • the flat material 3 is formed from a set of two flat material elements 11. Between the flat material elements 11 lie in The embodiment shown here also has two joint areas 12. Each joint area interrupts the flat material 3 over the entire flat material cross section. The joint areas are thus formed from edge to edge over the entire length of the insulation element and cut through it over the entire length from the outer surface 6 to the inner surface 7.
  • the flat material 3 in the fourth embodiment is not all around, continuous flat material containing carbon fibers 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Isolationselement (1) zur thermischen Isolation einer induktiv beheizbaren Hochtemperaturbehandlungszone (2), wobei eine Wand des Isolationselements (1) ein Flachmaterial (3) enthält, dessen spezifischer elektrischer Widerstand ρF 10-5 bis 10-1 Ωm beträgt, einen sich durch das Isolationselement (1) hindurch erstreckenden Hohlraum (4) umgibt, und eine Unterbrechung (5) umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand ρU größer ist als ρF, wobei die Unterbrechung (5) sich von der Außenoberfläche (6) des Flachmaterials (3) in das Flachmaterial (3) hinein erstreckt aber das Flachmaterial (3) nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt (8) hinweg unterbricht.

Description

ELEKTRISCH ENTKOPPELTE HOCHTEMPERATURTHERMOISOLATION
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolationselement zur thermischen Isolation einer induktiv beheizbaren Hochtemperaturbehandlungszone, einen Satz von Isolationselementabschnitten zur Ausbildung eines die Isolationselementabschnitte umfassenden Isolationselements, ein Verfahren zur Herstellung eines Flachmaterials, das zur Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone einsetzbar ist, sowie die Verwendung des Isolationselements zur thermischen Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone.
Hochtemperaturprozesse, welche beispielsweise bei über 800°C unter inerter Atmosphäre ablaufen, stellen hohe thermische und mechanische Anforderungen an die verwendeten Isolierwerkstoffe. Als Werkstoff für Isolierkörper, welche die Heizkammer von der gekühlten Außenwand von Hochtemperaturöfen trennen, werden häufig carbonisierte und gegebenenfalls graphitierte Filze eingesetzt.
Aus der EP 1 852 252 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Isolierkörpern bekannt, bei welchem u.a. mehrere gekrümmte Segmente aus einem auf einem auf eine Dichte zwischen 0,02 und 0,3 g/cm3 verdichteten Graphitexpandat basierten Werkstoff zu einem hohlzylinderförmigen Bauteil zusammengesetzt werden. Der Zusammenhalt der einzelnen Segmente wird dabei durch einen carbonisierbaren Binder gewährleistet, welcher flächige anisotrope Graphitpartikel enthält. An der Innenfläche des hohlzylinderförmigen Isolierkörpers wird ferner eine Graphitfolie angeordnet.
In der WO 2011/106580 A2 wird ein aus einem Kohlenstofffasermaterial hergestellter Isolierkörper für einen Reaktor offenbart, der aus mehreren plattenartigen Einzelbauteilen zusammengesetzt ist. Die Einzelbauteile können durch "Nut-und- Feder"-Steckverbindungen unter Verwendung weiterer Verbindungselemente gekoppelt sein. Die Gebrauchsmusterschrift CN202610393U beschreibt eine Hitzekonservierungsvorrichtung für die Herstellung von Saphirkristallen, in der eine umlaufende Graphitfilzdichtung durch Fügen dreier fächerförmiger Weichfilze gebildet ist.
Die CN102748951A beschreibt ein wärmeisolierendes Material in Form einer aus Lamellen gebildeten Einheit. Die Lamellen weisen Nuten und Federn auf, die zu einem kreisbogenförmigen Wärmeisolationszylinder zusammengesteckt werden können. Der Aufbau aus Lamellen soll einen lokalen Austausch und Reparatur beschädigter Teile ermöglichen. Die Wärmedämmeigenschaft soll ausgezeichnet und die Lebensdauer lang sein. Der Wärmeisolationszylinder kann bequem gelagert und transportiert werden. Mit ihm sollen die Betriebskosten stark reduziert werden können.
Die DE68920856 T2 beschreibt einen rohrförmiger Wärmeisolator, bestehend aus (a) spiralförmig gewundenen Schichten aus Kohlenstofffaserfilz, die carbonisiertes Harz enthalten, und (b) zwischen den Filzschichten, die ein kontinuierlich laminiertes rohrförmiges Element bilden, vorhandenen carbonisierten Film und/oder Netz und Harz, worin die Filzschichten durch carbonisiertes Harz, das zwischen den Filzschichten anwesend ist, integral aneinander gebunden sind. Der Wärmeisolator soll eine hohe Massendichte aufweisen, in der Wärmeisolationseigenschaft und Oberflächenglätte ausgezeichnet sein. Seine Massendichte soll in Richtung des Radius variabel sein. Der Wärmeisolator soll außerdem mit hoher Produktivität, ohne die Durchführung eines komplizierten Verfahrens herstellbar sein.
Die WO 2013/174898 A1 beschreibt einen Wärmeisolationskörper aus einem carbonisierte Fasern und/oder graphitierte Fasern umfassenden Werkstoff zum Auskleiden eines Hochtemperaturofens, wobei der Wärmeisolationskörper aus wenigstens zwei Einzelteilen zusammengefügt ist, wobei wenigstens zwei zusammengefügte Einzelteile jeweils mindestens ein Verbindungselement aufweisen und die Verbindungselemente der wenigstens zwei zusammengefügten Einzelteile unter Ausbildung einer Hinterschneidung formschlüssig ineinanderg reifen.
In bestimmten Hochtemperaturbehandlungsverfahren wird ein zu behandelndes Substrat, z.B. ein Fasersubstrat bei der Glasfaserherstellung, kontinuierlich durch eine Hochtemperaturbehandlungszone geführt. Die Temperatur in der Hochtemperaturbehandlungszone kann z.B. wenigstens 800 °C betragen.
Der Hochtemperaturbehandlungszone muss stetig Energie zugeführt werden, um die Temperatur in der Hochtemperaturbehandlungszone in einem bestimmten, eng spezifizierten hohen Bereich zu halten. Dies geschieht durch induktives Hochtemperaturbeheizen. Dabei koppeln elektrische Spulen, welche um die Hochtemperaturbehandlungszone angeordnet sind, induktiv mit wenigstens einem Heizelement. Bei dem Heizelement kann es sich um eine, die Hochtemperaturbehandlungszone umgebende, hochtemperaturfeste Wand handeln. Die Wand kann Graphit enthalten.
Mit bestimmten Isoliermaterialien wurden beim induktiven Hochtemperaturbeheizen zu große Wärmemengen scheinbar direkt von den Öfen abgestrahlt, so dass sich deren Umgebung stark aufheizte und zusätzliche Maßnahmen zur Abfuhr überschüssiger Wärme erfolgen mussten, wie z.B. eine aufwändige Belüftung oder Kühlung der Werkshallen, in denen die Öfen betrieben wurden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wärmeisolationsmaterial bereitzustellen, das z.B. für Hochtemperaturöfen zur Herstellung von Glasfasern einsetzbar ist, und mit dem ein induktives Hochtemperaturbeheizen einer Hochtemperaturbehandlungszone bei verringertem Aufwand zur Abfuhr von Abwärme dauerhaft und zuverlässig möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Isolationselement zur thermischen Isolation einer induktiv beheizbaren Hochtemperaturbehandlungszone, wobei eine Wand des Isolationselements ein Flachmaterial enthält, dessen spezifischer elektrischer Widerstand pF 105 bis 101 Qm beträgt, einen sich durch das Isolationselement hindurch erstreckenden Hohlraum umgibt, und eine Unterbrechung umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand pu größer ist als PF, wobei die Unterbrechung sich von der Außenoberfläche des Flachmaterials in das Flachmaterial hinein erstreckt aber das Flachmaterial nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbricht.
Da die Wand einen sich durch das Isolationselement hindurch erstreckenden Hohlraum umgibt, kann die Form des Isolationselements durch einen Hohlzylinder angenähert werden. Der Hohlzylinder umfasst eine innere Mantelfläche, eine äußere Mantelfläche und zwei Stirnflächen. Die Wand des Isolationselements verläuft ringsum in einem durch die innere Mantelfläche und durch die äußere Mantelfläche begrenzten Bereich und erstreckt sich von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche des Hohlzylinders. Es versteht sich, dass der Hohlzylinder dabei lediglich eine zur Definition der Erfindung herangezogene, geometrische Form ist.
Es ist nicht erforderlich, dass das Isolationselement das gesamte, zwischen den Mantelflächen vorliegende und durch die Stirnflächen begrenzte Volumen des Hohlzylinders einnimmt. Beispielsweise kann das Isolationselement ein Schichtverbund zweier unterschiedlich langer hohlzylinderförmiger Materialien sein, z.B. ein innenliegendes längeres CFC-Rohr, wobei nur ein Teil des CFC-Rohrs außen ringsum mit dem Flachmaterial beschichtet ist. Zwar mag dann die Innenfläche des CFC-Rohrs mit der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders und die Außenfläche des Flachmaterials mit der äußeren Mantelfläche des Hohlzylinders annähernd zusammenfallen. Jedoch füllt dieses Isolationselement dann trotzdem nicht das gesamte Volumen des Hohlzylinders aus, da das Flachmaterial nicht bis an die Stirnflächen heranreicht.
Selbstverständlich kann das Isolationselement das gesamte Volumen des Hohlzylinders ganz oder annähernd, z.B. zu mindestens 90 Vol.-% oder zu mindestens 95 Vol.-% ausfüllen, z.B. wenn das Isolationselement nur aus Flachmaterial besteht, das die Form eines Hohlzylinders aufweist.
Die Erfindung schließt nicht aus, dass das Isolationselement neben dem Flachmaterial zusätzliche hochtemperaturstabile Materialien aufweist, die im Verbund, z.B. Schichtverbund, mit dem Flachmaterial vorliegen können. Bei typischen erfindungsgemäßen Isolationselementen nimmt das Flachmaterial zusammen mit den sich von der Außenoberfläche des Flachmaterials in das Flachmaterial hinein erstreckenden Unterbrechungen mindestens 20 Vol.-%, im Allgemeinen mindestens 35 Vol.-%, bevorzugt mindestens 50 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 65 Vol.-%, z.B. mindestens 80 Vol.-% des Volumens des Isolationselements ein.
Erfindungsgemäß umfasst die Wand des Isolationselements ein Flachmaterial. Es eignet sich jedes Flachmaterial, das den hohen Temperaturen standhält, die aus der Hochtemperaturbehandlung auf das Flachmaterial einwirken und dessen spezifischer elektrischer Widerstand im erfindungsgemäßen Bereich liegt. Es ist hinlänglich bekannt, dass verschiedene hochtemperaturstabile Flachmaterialien jeweils bis zu einer materialspezifischen Temperaturobergrenze dauerhaft einsetzbar sind. Dementsprechend wählt der Fachmann das Flachmaterial je nach Hochtemperaturanwendung so aus, dass die materialspezifische Temperaturobergrenze möglichst nicht erreicht und insbesondere nicht überschritten wird.
Das Flachmaterial kann z.B. Carbonfasern und/oder Graphitexpandat umfassen. Dies bewirkt, dass das Material bei hohen Temperaturen in einer inerten Umgebung eingesetzt werden kann. Graphitexpandat lässt sich bekanntermaßen dadurch hersteilen, dass man Graphit mit bestimmten Säuren behandelt, wobei sich ein Graphitsalz bildet, mit zwischen Gra phenschichten eingelagerten Säure-Anionen. Das Graphitsalz wird anschließend zum Graphitexpandat umgesetzt, indem man es hohen Temperaturen von z.B. 800 °C aussetzt.
Das Flachmaterial ist bevorzugt ein kohlenstoffhaltiges Flachmaterial, z.B. ein carbonfaserhaltiges Flachmaterial. Das carbonfaserhaltige Flachmaterial kann ein carbonfaserhaltiger Filz sein. Cabonfaserhaltig bedeutet, dass das Flachmaterial, z.B. der Filz, Carbonfasern enthält.
Als Carbonfaser wird dabei jede Faser bezeichnet, deren Kohlenstoffgehalt wenigstens 60 Gew.-%, weiter bevorzugt wenigstens 80 Gew.-%, insbesondere bevorzugt wenigstens 92 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 96 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% und höchst bevorzugt wenigstens 99,5 Gew.-% beträgt. Die Bezeichnung Carbonfa ser umfasst hierin also carbonisierte und graphitierte Fasern. Es kann sich um Rayon-, Panox- oder Pechbasierte Carbonfasern handeln. Sie können oberflächlich veredelt sein, z.B. mit pyrolytischem Kohlenstoff (PyC) oder Siliciumcarbid.
Das Flachmaterial, z.B. der Filz, kann neben Carbonfasern weitere Bestandteile enthalten. Als weitere Bestandteile kommen alle hinreichend hochtemperaturstabilen Materialien in Betracht mit denen sich zugleich auch bei sehr hohen Temperaturen eine hinreichende thermische Isolationswirkung erzielen lässt. Insbesondere können im Flachmaterial als weitere Bestandteile keramische Fasern enthalten sein.
Ein besonders bevorzugtes Flachmaterial ist ein Carbonfaserfilz, z.B. ein Carbonfaserweichfilz oder ein Carbonfaserhartfilz. In einem Carbonfaserhartfilz sind Fasern verbunden. Die Verbindung kann mittels carbonisierter Rückständen, z.B. durch carbonisierte Phenolharzrückstände bestehen. Die Verbindung kann auch die oben im Zusammenhang mit den Carbonfasern beschriebenen Substanzen, pyrolytischer Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid, umfassen. Dadurch wird der Filz hart, da sich Fasern an den Stellen, an denen sie verbunden sind, nicht mehr gegeneinander verschieben lassen. In einem Carbonfaserweichfilz liegt eine solche Verbindung der Fasern nicht vor. Der Carbonfaserweichfilz kann z.B. durch Vernadeln verfestigt sein.
Der spezifische elektrische Widerstand pF des Flachmaterials beträgt 105 bis 101 Qm. Der spezifische elektrische Widerstand kohlenstoffhaltiger und insbesondere carbonfaserhaltiger Flachmaterialien, die sich im praktischen Einsatz lange als hochtemperatur- Thermoisolationsmaterial bewährt haben, und auf die oben näher eingegangen wurde, liegt in diesem Bereich.
Hätte der Fachmann eine freie Auswahl an hochtemperaturstabilen Thermoisolationsmaterialen, würde er nicht ausgerechnet ein Flachmaterial mit spezifischem elektrischem Widerstand im Bereich von 105 bis 101 Qm wählen. Denn im Zusammenhang mit dieser Erfindung durchgeführte Simulationen deuten klar darauf hin, dass Flachmaterialien mit spezifischem elektrischem Widerstand im Bereich von 105 bis 101 Qm in Wechselwirkung mit der Heizspule zu relativ starkem, unerwünschtem Aufheizen neigen. Allerdings steht wegen der extremen Anforderungen an Temperaturstabilität und Thermoisolationswirkung überhaupt nur ein sehr enges Spektrum an Flachmaterialien zur Auswahl und die vorstehend genannten, kohlenstoffhaltigen und insbesondere carbonfaserhaltigen Flachmaterialien haben sich in der Praxis nicht zuletzt auch deshalb bewährt, da sie aus relativ kostengünstigen Ausgangsmaterialien mit überschaubarem Aufwand hergestellt werden können.
Bei diesen Flachmaterialien, mit mittleren spezifischen elektrischen Widerständen im Bereich von 105 bis 101 Qm, führt die Wechselwirkung zwischen Heizspule und Flachmaterialien zu relativ starken Strömen, die dabei zugleich über relativ hohe Widerstände fließen. Deshalb neigen Flachmaterialien mit spezifischem elektrischem Widerstand in diesem Bereich zu einer besonders starken, unerwünschten Aufheizung. Dabei verringern folgende Faktoren tendenziell den spezifischen elektrischen Widerstand des Flachmaterials: 1) ein hoher Carbonfaseranteil des Flachmaterials und 2) ein hoher Anteil graphitierter Carbonfasern im Flachmaterial. Graphitierte Carbonfasern sind Carbonfasern, die durch Pyrolyse bei sehr hohen Temperaturen von z.B. 1600 bis 3000 °C, bevorzugt 1700 bis 2400°C, erhalten wurden. Graphitierte Carbonfasern leiten elektrischen Strom im Allgemeinen besser, als Carbonfasern, die nicht graphitiert wurden. Es versteht sich, dass der Begriff Carbonfaser hierin nicht auf graphitierte Carbonfasern beschränkt sein soll. Die vom Flachmaterial umfassten Carbonfasern können z.B. durch Pyrolyse bei relativ niedrigen Temperaturen von 800 bis 1600 °C, insbesondere 800 bis 1200 °C erhalten sein.
Erfindungsgemäß umfasst die Wand des Isolationselements eine Unterbrechung, in der der spezifische elektrische Widerstand pugrößer ist als pF. Die Unterbrechung erstreckt sich von der Außenoberfläche des Flachmaterials in das Flachmaterial hinein. Sie unterbricht das Flachmaterial aber nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg.
Damit, dass die Unterbrechung das Flachmaterial nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbricht, ist gemeint, dass das Flachmaterial in einem unmittelbar an die Unterbrechung angrenzenden Flachmaterialbereich durchgehend ausgebildet ist. Um die beiden an die Unterbrechung angrenzenden Flachmaterialbereiche voneinander wegzubewegen, muss also zwingend Flachmaterial durchtrennt werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt, um die Auswirkung von Unterbrechungen auf die nach außen freigesetzten Wärmemengen genauer beschreiben zu können. Diese zeigten überraschend, dass die Unterbrechung einem starken und unerwünschten induktiven Aufheizen gängiger Flachmaterialien mit minimalem Aufwand äußerst effektiv entgegenwirkt. Der Strom, der im Flachmaterial im Allgemeinen in Umfangsrichtung fließt, trifft auf ein Hindernis, das in der Unterbrechung besteht. Dabei wird er in tiefer liegende Bereiche des Flachmaterials und um das Hindernis herumgelenkt, wodurch sich der Widerstand erhöht und ein erheblicher Teil der im Flachmaterial, z.B. Carbonfasern enthaltenden Filz, erzeugten Wärme nicht an der Außenoberfläche des Flachmaterials entsteht.
Die Wand des Isolationselements umfasst in bestimmten Ausführungsformen nur eine Unterbrechung. Im Allgemeinen sind mehrere Unterbrechungen bevorzugt. So kann die Zahl der Unterbrechungen mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4, mindestens 6, mindestens 8, mindestens 10, mindestens 12, mindestens 16 oder mindestens 20 betragen; bevorzugt mindestens 3, mindestens 4, oder mindestens 6 betragen. Dies bewirkt, dass der Umweg für den Stromfluss vergrößert wird, bzw. der elektrische Widerstand erhöht wird. Es versteht sich, dass die nachfolgenden Merkmale, die sich auf die Unterbrechung beziehen, jeweils nur für eine Unterbrechung, für zwei oder mehr Unterbrechungen oder für alle Unterbrechungen gelten sollen.
Die Unterbrechung kann ein in das Flachmaterial eingebrachter Einschnitt sein. Das Einschneiden ist die bei weitem einfachste Möglichkeit, die gewünschte Unterbrechung zu erzeugen. Das Flachmaterial wird dabei nur eingeschnitten aber nicht durchgeschnitten. So wird sichergestellt, dass das Flachmaterial durch den Einschnitt nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbrochen wird.
Vorzugsweise verläuft mindestens ein Teil der Unterbrechung (besonders bevorzugt die gesamte Unterbrechung) nicht orthogonal zu den beiden nächsten Oberflächenbereichen des Flachmaterials. Dies bewirkt, dass der Sichtfaktor für die Wärmestrahlung zwischen der heißen Oberfläche und der kalten Umgebung reduziert wird. Es wird also der Anteil der Strahlung minimiert, der die Umgebung durch die Unterbrechung hindurch erreicht. Diese Strahlung kommt insbesondere von der heißen Oberfläche des Suszeptors. Bei dem erfindungsgemäßen Isolationselement, dessen Form durch einen Hohlzylinder angenähert werden kann, werden Länge, Verlauf und Ausrichtungen der Unterbrechung(en) an der Außenoberfläche des Flachmaterials bevorzugt so gewählt, dass gilt:
Lu > a Lt worin
Lt die Länge des kürzesten Wegs um das Flachmaterial ist, der entlang der Außenoberfläche des Flachmaterials über die Unterbrechung(en) hinweg in einer zentralen Schnittebene verläuft, die das Flachmaterial orthogonal zur Längsachse des Hohlzylinders in zwei Hälften gleichen Flachmaterialvolumens teilt,
Lu die Länge des kürzesten Wegs um das Flachmaterial ist, der jeweils von Unterbrechung zu Unterbrechung in der zentralen Schnittebene verläuft, jedoch nicht über die Unterbrechung(en) hinweg, sondern um die Unterbrechung(en) herumführt, und a 2 beträgt, bevorzugt 5 beträgt.
Dies ist in Figuren 1C und 1 D veranschaulicht. Dadurch wird bewirkt, dass der induzierte elektrische Strom nicht ungehindert in die Umfangsrichtung fließen kann, sondern um Unterbrechungen umgeleitet wird, womit der elektrischer Widerstand erhöht und die im Flachmaterial induzierte Leistung reduziert wird.
Es ist im Allgemeinen bevorzugt, wenn die Unterbrechung einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand hat, als das Flachmaterial. Vorzugsweise beträgt ru mindestens 100 pF, insbesondere mindestens 1000 pF, z.B. mindestens 10000 pF. Der spezifische elektrische Widerstand von Luft liegt in der Größenordnung von >~ 1014 Qm, wobei der genaue Wert u.a. vom Wassergehalt der Luft abhängt. Wenn die Unterbrechung ein Einschnitt ist, ist pu also viele Größenordnungen höher, als pF. Jedoch wird die gewünschte Umlenkung des im Flachmaterial induzierten, elektrischen Stromes um die Unterbrechung immer erreicht, wenn pu deutlich höher ist, als pF. Ein echter Isolator oder eine Unterbrechung in Form eines Einschnitts muss nicht zwingend vorliegen, um die gewünschten, erfindungsgemäßen Effekte zu erzielen. Auch mit anderen hochtemperaturstabile Materialien, die potenziell als Unterbrechung eingesetzt werden können, wie z.B. Bornitrid, lässt sich das geforderte Verhältnis von pu mindestens 100 pF ohne jede Schwierigkeit erzielen, denn bei einem typischen Carbonfaserfilz beträgt pF circa 103 Qm. Die Messung des spezifischen elektrischen Widerstands erfolgt in Anlehnung an die DIN 51911. Diese Norm betriff die Widerstandsmessung von Graphit.
Das Flachmaterial erstreckt sich von einem ersten Rand des Flachmaterials zu einem zweiten Rand des Flachmaterials. Der erste Rand des Flachmaterials ist der ersten Stirnfläche des oben genannten, zur Definition der Erfindung herangezogenen Hohlzylinders, zugewandt oder fällt mit der ersten Stirnfläche dieses Hohlzylinders zusammen. Der zweite Rand des Flachmaterials ist der zweiten Stirnfläche dieses Hohlzylinders zugewandt oder fällt mit der zweiten Stirnfläche dieses Hohlzylinders zusammen. Es ist bevorzugt, wenn die Unterbrechung zu mindestens einem der beiden Ränder und insbesondere zu den beiden Rändern des Flachmaterials beabstandet ist. Die Unterbrechung unterbricht das Flachmaterial dann insbesondere in einem Flachmaterialbereich nicht, der sich von einem Ende der Unterbrechung bis an einen Rand des Flachmaterials erstreckt. Vorzugsweise unterbricht die Unterbrechung das Flachmaterial dann insbesondere in zwei Flachmaterialbereichen nicht, wobei der eine dieser beiden Flachmaterialbereiche sich von einem Ende der Unterbrechung bis an den einen Rand erstreckt und der andere dieser beiden Flachmaterialbereiche sich vom einem anderen Ende der Unterbrechung bis an den anderen Rand erstreckt. Das Flachmaterial ist dann also in einem Flachmaterialbereich, der sich von einem Ende der Unterbrechung bis an den einen Rand des Flachmaterials erstreckt oder vorzugsweise in den beiden Flachmaterialbereichen, die sich je von einem anderen Ende der Unterbrechung an je einen anderen Rand des Flachmaterials erstrecken, durchgehend ausgebildet. Dies bewirkt, dass das hohlzylinderförmige Isolationselement bzw. dessen Flachmaterial zum einen stabiler wird und zum anderen nicht aus Einzelteilen vor Ort aufgebaut werden muss.
Es ist bevorzugt, wenn mindestens zwei Unterbrechungen zur Außenoberfläche des Flachmaterials gleichsinnig geneigt sind. Gleichsinnig geneigte Unterbrechungen können tiefer ausgeführt sein und zugleich nur einen sehr geringen Abstand aufweisen. Wenn sie gegensinnig geneigt wären, würde die eine Unterbrechung in die andere Unterbrechung übergehen, was im Allgemeinen nicht gewünscht ist. Wenn die Unterbrechungen Einschnitte sind, die ineinander übergehen, könnten die zwischen den Einschnitten liegenden Teile des Flachmaterials dann leicht herausbrechen. Gleichsinnig geneigte Unterbrechungen ermöglichen also kleiner Abstände zwischen Unterbrechungen und damit eine effizientere elektrische Entkopplung des Flachmaterials, im Wesentlichen ohne die Stabilität des Flachmaterials zu beeinträchtigen. Die führt letztlich zu stabilen, leicht zu handhabenden Isolationselementen mit besonders schwacher Tendenz zur unerwünschten Aufheizung des enthaltenen Flachmaterials.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Unterbrechung vollständig zwischen zwei Ebenen liegt, die parallel zueinander verlaufen und deren Abstand höchstens 25 %, insbesondere höchstens 15 %, z.B. höchstens 10 % der größten Tiefe der Unterbrechung beträgt. Dies bedeutet, dass die Unterbrechung im wesentlichen Eben verläuft. Ein im Wesentlichen ebener Einschnitt lässt sich in das Flachmaterial mit einer rotierenden Klinge (ähnlich wie bei einer Kreissäge, nur ohne Zähne) besonders einfach einbringen. Die größte Tiefe der Unterbrechung entspricht dann der größten Eintauchtiefe der Klinge, gemessen von der Oberfläche des Flachmaterials in Richtung des Einschnitts. Die Neigung der Ebenen ist dabei nicht eingeschränkt. Jedoch ist es bevorzugt, wenn die Neigung der Ebenen durch die Unterbrechung so vorgegeben ist, dass mindestens eine der beiden Ebenen die Innenoberfläche des Flachmaterials nicht schneidet oder in einem Winkel von höchstens 45° schneidet.
Es ist bevorzugt, wenn das Flachmaterial eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Vorzugsweise weist das Flachmaterial eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 10 Wnr1K1 auf. Dies hat den Vorteil, dass sich die Abfuhr von Abwärme beim induktiven Hochtemperaturbeheizen einer Hochtemperaturbehandlungszone dann noch weiter verringern lässt. Bei besonders geringer thermische Wärmeleitfähigkeit des Flachmaterials tritt weniger Wärme aus der Hochtemperaturbehandlungszone aus. Dadurch verringert sich auch der Aufwand zur Abfuhr von Abwärme aus der Halle, in der die Hochtemperaturbehandlung erfolgt.
Vorzugsweise variiert die Wandstärke des Flachmaterials des Isolationselements in mindestens einer Schnittebene höchstens um 10 %. Mit Schnittebene ist jede zur Achse des Hohlzylinders orthogonale Ebene gemeint. Dies hat den Vorteil, dass mindestens im Bereich dieser Schnittebene unerwünschte Wärmeverluste radial gleichmäßig auftreten. Dies hat den Vorteil, eines noch geringeren Produktionsausschusses.
Das Flachmaterial kann ein rings umlaufend zusammenhängendes, Carbonfasern enthaltendes Flachmaterial, insbesondere ein rings umlaufend zusammenhängender, Carbonfasern enthaltender Filz, z.B. ein rings umlaufend zusammenhängender Carbonfaserfilz, sein. Ein rings umlaufend zusammenhängender Carbonfaserfilz kann hergestellt werden, indem mit bekannten Rundvernadelungsmethoden ein rings umlaufend zusammenhängender Filz aus carbonisierbaren Fasern hergestellt und der rings umlaufend zusammenhängende Filz durch Hochtemperaturbehandlung in sauerstofffreier Atmosphäre zu einem rings umlaufend zusammenhängenden Carbonfaserfilz umgesetzt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Flachmaterial keine Nähte oder Stöße aufweist, so dass keine Schwachstellen vorhanden sind, an denen bei fortdauerndem Einsatz als Hochtemperaturisolation eine Materialermüdung oder Delamination auftreten könnte.
Rings umlaufend zusammenhängend bedeutet, dass die für einen Filz charakteristische Anordnung von in unregelmäßige Weise miteinander verbundenen Fasern, die sich bei der Herstellung von Filzen in einer flachen Filzbahn einstellt, rings umlaufend besteht. Wenn man den rings umlaufend zusammenhängender, Carbonfasern enthaltender Filz orthogonal zur Längsachse des Isolationselements durchschneidet, ist in der Schnittfläche weder ein Anfang, noch ein Ende des umlaufenden Carbonfasern enthaltenden Filzes erkennbar. Insbesondere liegt in der Schnittfläche kein Stoß und keine Naht vor. Die erfindungsgemäßen Unterbrechungen müssen dann allesamt in einem nachgelagerten Herstellungsschritt eingebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass allein die Unterbrechungen einer Aufheizung des Flachmaterials gezielt entgegenwirken, ohne dass bei der Einarbeitung der Unterbrechungen inhärente Inhomogenitäten des Flachmaterials, z.B. Stöße oder Nähte, mitberücksichtigt werden müssten. Folglich kommt es zu einem besonders gleichmäßigen Wärmeeintrag in die Hochtemperaturbehandlungszone. Der bei der Hochtemperaturbehandlung entstehende Anteil nicht spezifikationsgerechten Produkts (Ausschuss) wird dadurch noch weiter gesenkt.
Das Flachmaterial kann auch aus einem Satz von Flachmaterialelementen gebildet sein und es kann zwischen den Flachmaterialelementen zusätzlich mindestens ein Stoßbereich vorliegen, der das Flachmaterial über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbricht. Dann weist mindestens eines der Flachmaterialelemente mindestens eine Unterbrechung auf. Es ist bevorzugt, wenn mindestens zwei Flachmaterialelemente eine Unterbrechung aufweisen. Die hohlzylindrische Form der Flachmaterialelemente entsteht dann z.B. durch das Fügen von Carbonfasern enthaltenden Filzmatten im Stoßbereich bzw. in den Stoßbereichen. Die Erfindung betrifft auch einen Satz von Isolationselementabschnitten, zur Ausbildung eines die Isolationselementabschnitte umfassenden Isolationselements, insbesondere zur Ausbildung eines oben angegebenen Isolationselements, wobei mindestens eines der Isolationselementabschnitte ein Flachmaterial umfasst, dessen spezifischer elektrischer Widerstand pF 105 bis 101 Qm beträgt, und eine Unterbrechung umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand pugrößer ist als pF, wobei die Unterbrechung sich von der Außenoberfläche des Flachmaterials in das Flachmaterial hinein erstreckt aber das Flachmaterial nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbricht.
Aus dem Satz von Isolationselementabschnitten kann ein erfindungsgemäßes Isolationselement besonders einfach vor Ort zusammengefügt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn nicht ausreichend Platz vorhanden ist, um ein am Stück gebildetes Isolationselement an seinen Einsatzort zu transportieren oder um es am Einsetzort einzubauen. Beim Zusammensetzen der einzelnen Isolatioselementabschnitte wird ein Isolationselement gebildet, wobei durch das Zusammensetzen Stoßbereiche vorliegen, die das Flachmaterial der einzelnen Isolationselementabschnitte über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbrechen. Dies ist aber keine Unterbrechung wie im Flachmaterial selbst, sondern ein Stoßbereich, wobei sich der Widerstand im Stoßbereich nicht wesentlich erhöht. Insbesondere wenn beim Fügen kein Abstand vorliegt.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Flachmaterials, das zur Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone einsetzbar ist, wobei ein Flachmaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand pF im Bereich von 105 bis 101 Qm von einer Hauptoberfläche des Flachmaterials in das Flachmaterial hinein eingeschnitten wird, ohne das Flachmaterial vollständig durchzuschneiden.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Isolationselements oder eines Isolationselements, das aus dem erfindungsgemäßen Satz von Isolationselementabschnitten gebildet ist, zur thermischen Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone, z.B. zur thermischen Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone in der Glasfasern oder oberhalb von 1000°C schmelzende Einkristalle hergestellt werden.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren illustriert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Insolationselements mit angedeuteter Spule und Suszeptor
Figur 1A zeigt das erste erfindungsgemäße Isolationselement
Figur 1 B zeigt einen Schnitt durch das erste erfindungsgemäße Isolationselement
Figuren 1C und 1 D veranschaulichen die Längen von Wegen um das Flachmaterial des ersten erfindungsgemäßen Isolationselements
Figur 2A zeigt das zweite erfindungsgemäße Isolationselement
Figur 2B zeigt einen Schnitt durch das zweite erfindungsgemäße Isolationselement
Figur 3A zeigt das dritte erfindungsgemäße Isolationselement
Figur 3B zeigt einen Schnitt durch das dritte erfindungsgemäße Isolationselement
Figur 4A zeigt einen Schnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Isolationselement. Figur 4B zeigt einen Ausschnitt aus Figur 4A
Die vier verschiedenen, in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sind alle Isolationselemente 1 zur thermischen Isolation einer induktiv beheizbaren Hochtemperaturbehandlungszone 2. Eine perspektivische Darstellung mit angedeuteter Spule and der Außenoberfläche 6 und Suszeptor and der Innenoberfläche ist nur für die erste Ausführungsform gezeigt (Figur 1). Die anderen drei Ausführungsformen können genauso eingesetzt werden, wie hier für die erste Ausführungsform angedeutet.
Wie insbesondere in Figuren 1 B, 2B, 3B und 4A gut zu erkennen ist, enthält bei allen vier Ausführungsformen eine Wand des Isolationselements 2 ein Flachmaterial 3. Die Wand ist jeweils aus dem Flachmaterial (Carbonfaserweichfilz mit thermischer Leitfähigkeit von deutlich weniger als 10 Wm 1K 1) gebildet. Dessen spezifischer elektrischer Widerstand pF beträgt 105 bis 101 Qm. Der Carbonfaserweichfilz umgibt den sich durch das Isolationselement 1 hindurch erstreckenden Hohlraum 4. Diese Figuren zeigen auch gut, dass die Zahl der Unterbrechungen 5 in den hier gezeigten Ausführungsformen jeweils 12 beträgt. Die Unterbrechungen verlaufen in keiner Ausführungsform orthogonal zu den beiden Oberflächen 6 und 7 des Flachmaterials 3 und sind je alle gleichsinnig geneigt. Die Unterbrechungen sind jeweils Einschnitte. Sie sind also elektrisch isolierend.
In den Figuren 1A, 2A, 3A sind durch das Flachmaterial 3 verdeckte Bereiche der Unterbrechungen 5 jeweils gestrichelt dargestellt. Ebenfalls gestrichelt dargestellt sind dort die verdeckten Innenoberflächen des Flachmaterials. Der spezifische elektrische Widerstand ru der Unterbrechungen 5 ist wegen der darin befindlichen Luft und den durchtrennten Carbonfasern um eine vielfaches größer, als der spezifische elektrische Widerstand pF des Carbonfaserweichfilzes. Die Unterbrechungen 5 erstrecken sich bei allen vier Ausführungsformen von der Außenoberfläche 6 des Flachmaterials 3 in das Flachmaterial 3 hinein.
In Figur 1A ist gut zu erkennen, dass die Unterbrechungen 5 das Flachmaterial 3 bei der ersten Ausführungsform nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbrechen. Die Einschnitte sind nicht bis zu den beiden, in Figur 1 angedeuteten Rändern 9 und 10 hin ausgeführt. Die Unterbrechungen 5 sind hier also zu den beiden Rändern 9 und 10 des Flachmaterials 3 beabstandet. In Figur 1B ist gut zu erkennen, dass die Einschnitte bei der ersten Ausführungsform zudem auch nicht bis zur Innenoberfläche 7 ausgeführt sind. Die Unterbrechungen 5 sind hier also auch zur Innenoberfläche 7 beabstandet.
Figur 2A zeigt, dass die Einschnitte bei der zweiten Ausführungsform die beiden Ränder schneiden. Jedoch unterbrechen sie das Flachmaterial 3 erfindungsgemäß trotzdem nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg. Denn in Figur 2B ist gut zu erkennen, dass die Einschnitte wie bei der ersten Ausführungsform nicht bis zur Innenoberfläche 7 ausgeführt sind. Die Unterbrechungen 5 sind auch hier zur Innenoberfläche 7 beabstandet.
Bei der dritten Ausführungsform sind die Einschnitte nicht bis zu den beiden Rändern ausgeführt (Figur 3A). Also unterbrechen sie das Flachmaterial 3 nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform schneiden die Einschnitte der dritten Ausführungsform die Innenoberfläche 7 (Figur 3B).
Bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform ist das Flachmaterial 3 also ein rings umlaufend zusammenhängendes, Carbonfasern enthaltendes Flachmaterial 3.
Mit Figuren 1C und 1 D wird für die ersten Ausführungsform veranschaulicht, dass Länge, Verlauf und Ausrichtungen der Unterbrechungen 5 an der Außenoberfläche des Flachmaterials 3 so gewählt sind, dass Lu > a Lt gilt, wenn a 2 beträgt. Figur 1C veranschaulicht Lu. Lu ist die Länge des kürzesten Wegs um das Flachmaterial 3, der jeweils von Unterbrechung 5 zu Unterbrechung 5 in der zentralen Schnittebene verläuft und nicht über die Unterbrechungen 5 hinweg, sondern um die Unterbrechungen 5 herumführt. Die zentrale Schnittebene teilt das Flachmaterial 3 orthogonal zur Längsachse des Hohlzylinders in zwei Hälften gleichen Flachmaterialvolumens. U ist die Länge des kürzesten Wegs um das Flachmaterial 3, der entlang der Außenoberfläche des Flachmaterials 3 über die Unterbrechungen 5 hinweg in der zentralen Schnittebene verläuft, die das Flachmaterial 3 orthogonal zur Längsachse des Hohlzylinders in zwei Hälften gleichen Flachmaterialvolumens teilt. Es fällt auf, dass bei der hier gezeigten Ausführungsform Lu ca. 3 mal Lt beträgt.
Bei der vierten Ausführungsform (Figuren 4A, 4B) ist das Flachmaterial 3 aus einem Satz von zwei Flachmaterialelementen 11 gebildet. Zwischen den Flachmaterialelementen 11 liegen in der hier gezeigten Ausführungsform zusätzlich zwei Stoßbereiche 12 vor. Jeder Stoßbereich unterbricht das Flachmaterial 3 über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg. Die Stoßbereiche sind also von Rand zu Rand über die gesamte Länge des Isolationselements ausgebildet und durchschneiden es über die gesamte Länge von der Außenoberfläche 6 bis zur Innenoberfläche 7. Im Gegensatz zur ersten, zweiten und dritten Ausführungsform ist das Flachmaterial 3 bei der vierten Ausführungsform also kein rings umlaufend zusammenhängendes, Carbonfasern enthaltendes Flachmaterial 3.
Bezugszeichenliste
1 Isolationselement
2 Hochtemperaturbehandlungszone
3 Flachmaterial
4 Hohlraum
5 Unterbrechung
6 Außenoberfläche
7 Innenoberfläche
8 Flachmaterialquerschnitt 9, 10 Ränder
11 Flachmaterialelement
12 Stoßbereich

Claims

Patentansprüche
1. Isolationselement (1) zur thermischen Isolation einer induktiv beheizbaren Hochtemperaturbehandlungszone (2), wobei eine Wand des Isolationselements (1) ein Flachmaterial (3) enthält, dessen spezifischer elektrischer Widerstand pF 105 bis 101 Qm beträgt, einen sich durch das Isolationselement (1) hindurch erstreckenden Hohlraum (4) umgibt, und eine Unterbrechung (5) umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand pugrößer ist als pF, wobei die Unterbrechung (5) sich von der Außenoberfläche (6) des Flachmaterials (3) in das Flachmaterial (3) hinein erstreckt aber das Flachmaterial (3) nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt (8) hinweg unterbricht.
2. Isolationselement (1) nach Anspruch 1, wobei die Unterbrechung (5) ein in das Flachmaterial (3) eingebrachter Einschnitt (51) ist.
3. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei mindestens ein Teil der Unterbrechung (5) nicht orthogonal zu den beiden Oberflächen (6, 7) des Flachmaterials (3) verläuft.
4. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei das Flachmaterial (3) eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 10 Wm 1K1 aufweist.
5. Isolationselement (1) nach Anspruch 4, wobei das Flachmaterial (3) Carbonfasern und/oder Graphitexpandat umfasst.
6. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei die Zahl der Unterbrechungen (5) mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4, oder mindestens 6 beträgt.
7. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , dessen Form durch einen Hohlzylinder angenähert werden kann wobei Länge, Verlauf und Ausrichtungen der Unterbrechung(en) (5) an der Außenoberfläche des Flachmaterials (3) so gewählt ist (sind), dass gilt:
Lu > a Lt worin
Lt die Länge des kürzesten Wegs um das Flachmaterial (3) ist, der entlang der Außenoberfläche des Flachmaterials (3) über die Unterbrechung(en) (5) hinweg in einer zentralen Schnittebene verläuft, die das Flachmaterial (3) orthogonal zur Längsachse des Hohlzylinders in zwei Hälften gleichen Flachmaterialvolumens teilt,
Lu die Länge des kürzesten Wegs um das Flachmaterial (3) ist, der jeweils von Unterbrechung (5) zu Unterbrechung (5) in der zentralen Schnittebene verläuft, jedoch nicht über die Unterbrechung(en) (5) hinweg, sondern um die Unterbrechung(en) herumführt, und a 2 beträgt, bevorzugt 5 beträgt.
8. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei ru mindestens 100 pF beträgt.
9. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei die Unterbrechung (5) zu den beiden Rändern (9, 10) des Flachmaterials (3) beabstandet ist.
10. Isolationselement (1) nach Anspruch 6, wobei mindestens zwei Unterbrechungen (5) zur Außenoberfläche des Flachmaterials (3) gleichsinnig geneigt sind.
11 . Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei das Flachmaterial (3) ein rings umlaufend zusammenhängendes, Carbonfasern enthaltendes Flachmaterial (3) ist.
12. Isolationselement (1) nach Anspruch 1 , wobei das Flachmaterial (3) aus einem Satz von Flachmaterialelementen (11) gebildet ist und zwischen den Flachmaterialelementen (11) zusätzlich mindestens ein Stoßbereich (12) vorliegt, der das Flachmaterial (3) über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbricht.
13. Satz von Isolationselementabschnitten, zur Ausbildung eines die Isolationselementabschnitte umfassenden Isolationselements (1), wobei mindestens eines der Isolationselementabschnitte ein Flachmaterial (3) umfasst, dessen spezifischer elektrischer Widerstand pF 105 bis 101 Qm beträgt, und eine Unterbrechung (5) umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand pugrößer ist als pF, wobei die Unterbrechung (3) sich von der Außenoberfläche (6) des Flachmaterials (3) in das Flachmaterial (3) hinein erstreckt aber das Flachmaterial (3) nicht über den gesamten Flachmaterialquerschnitt hinweg unterbricht.
14. Verfahren zur Herstellung eines Flachmaterials (3), das zur Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone (2) einsetzbar ist, wobei ein Flachmaterial (3) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand pF im Bereich von 105 bis 101 Qm von einer Hauptoberfläche des Flachmaterials (3) in das Flachmaterial (3) hinein eingeschnitten wird, ohne das Flachmaterial (3) vollständig durchzuschneiden.
15. Verwendung eines Isolationselements nach einem der Ansprüche 1 bis 13, oder eines Isolationselements, das aus dem Satz von Flachmaterialelementen nach Anspruch 14 gebildet ist, zur thermischen Isolation einer induktiv beheizten Hochtemperaturbehandlungszone (2).
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