DE4422339A1 - Verfahren zur Herstellung einer Wärmeisolierung von Behältern, insbesondere von Wärmespeichern für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuums zur Wärmeisolierung von Behältern, insbesondere Wär­ mespeichern für Kraftfahrzeuge, durch Aufheizen des Behälters in einer Ausheizkammer, wobei der Behälter einen Innenhehäl­ ter für das zu isolierende Medium und einen den Innenbehälter unter Bildung eines Isolierraums allseitig mit einem Abstand umschließenden Außenbehälter umfaßt, in dem sich zu Beginn des Verfahrens eine Evakuierungsöffnung befindet, die nach Beendigung der Evakuierung beim Erreichen eines Mindestziel­ drucks verschlossen wird.

Für das Funktionieren einer guten Wärmeisolierung, die z. B. bei Wärmespeichern den Abfluß von Wärme aus dem Innenbehälter an die Umgebung weitgehend verhindern soll, ist es erforder­ lich, alle drei möglichen Wärmeübertragungswege zu attackie­ ren, nämlich Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrah­ lung.

Am effektivsten ist hierbei die Vakuumisolierung, speziell die Hochvakuumisolierung mit Strahlungsreflektoren im Iso­ lierraum. Zu diesem Zweck wird der zu isolierende Innenbe­ hälter von einem Außenbehälter umgeben und im Isolierraum zwischen Innen- und Außenbehälter ein Hochvakuum erzeugt. Im Isolierraum befinden sich eine Lagerung für den Innenbehälter und mindestens eine den Isolierraum vom Innenbehälter aus durchquerende Leitung für die Be- und Entladung des Innenbe­ hälters mit dem zu isolierenden Medium, beispielsweise eine Zuleitung und eine Ableitung für des Kühlwasser eines Ver­ brennungsmotors, das den Wärmespeicher belädt, wenn der Motor warm ist, oder entlädt, wenn der kalte Motor aufgeheizt wer­ den soll.

Die Wärmestrahlung kann durch die Beschichtung der Oberflä­ chen des Isolierraums mit Metallen hoher elektrischer Leitfä­ higkeit und/oder durch den Einbau von Strahlungsreflektoren in den Isolierraum reduziert werden.

Wärmeleitung und Wärmekonvektion im Isolierraum werden durch die Herstellung eines Hochvakuums von mindestens 10^-3 mbar weitgehend unterbunden.

Wärmeverluste durch die Lagerung des Innenbehälters und durch die Leitungen können durch bereits bekannte konstruktive Maß­ nahmen reduziert werden.

Bei Wärmespeichern sollte die Effektivität der Wärmeisolie­ rung der Lebensdauer der mit dem Wärmespeicher ausgestatteten Vorrichtung entsprechen, so sollten beispielsweise bei für den Einbau in Kraftfahrzeuge bestimmten Wärmespeichern das Isoliervakuum seine Wirkung zehn Jahre lang behalten. Hierzu ist es nicht nur erforderlich, den Isolierraum bei der Her­ stellung des Wärmespeichers zu evakuieren, bevor er ver­ schlossen wird, sondern es müssen auch die den Isolierraum begrenzenden Oberflächen vor dem Zusammenbau gründlich, ins­ besondere von Fett, gereinigt werden und nach dem Zusammenbau müssen die Wände von noch vorhandenen Rückständen, hauptsäch­ lich Wasser, befreit werden. Dies geschieht dadurch, daß nach einer bekannten Verfahrensweise der Außenbehälter von außen und der Innenbehälter von innen beheizt wird, während gleichzeitig der Isolierraum durch eine Vakuumpumpe abgesaugt wird.

Wenn ein ausreichend niedriger Druck im Isolierraum erzeugt worden ist, wird die der Evakuierung dienende Öffnung im Aus­ senbehälter geschlossen.

Zur Verkürzung der Evakuierungszeit und zum Auffangen von Molekülen, die nach dem Verschluß des Isolierraums noch in diesem frei werden, sei es durch weiteres Abdampfen von den Wänden, sei es durch Diffusion aus den Behälterwänden oder durch diese aus der Umgebung, können sogenannte Getter einge­ setzt werden. Diese Getter werden an der Innenfläche des Außenbehälters angebracht, weil sie üblicherweise durch Wär­ meeinwirkung, nämlich durch Erhitzung über eine bestimmte Grenztemperatur hinaus, aktiviert werden müssen, wozu die Wärme am einfachsten durch die Wandung des Außenbehälters auf die Getter übertragen werden kann. Der geeignetste Zeit­ punkt für die Getteraktivierung liegt kurz vor dem Verschlie­ ßen des Isolierraums oder kurz danach.

Wichtig für die Schnelligkeit, mit der ein gutes und zuver­ lässiges Vakuum erzielt werden kann, ist die sog. Ausheizung der dem Isolierraum zugewandten Oberflächen. Hierfür gibt es besondere, für die Verfahrenstechnik relevante Temperatur­ sprünge, nämlich 120°C, 180°C und 360°C. Je höher die Wand­ temperaturen sind, desto schneller kann der Evakuierungsvor­ gang abgeschlossen werden und desto billiger ist der Herstel­ lungsprozeß.

Zum rationellen Betreiben der Ausheizung sind zwei Verfahren bekannt geworden.

Das erste Verfahren besteht darin, den Innenbehälter von in­ nen und den Außenbehälter von außen zu beheizen, wobei gleichzeitig der Isolierraum abgesaugt wird.

Nach dem anderen Verfahren werden in den Isolierraum Metall­ hydride eingebracht und von außen erhitzt, wobei sie Wasser­ stoff abgeben. Hierdurch erfolgt eine Spülung des Isolier­ raums, wobei der Wasserstoff eine säubernde Wirkung auf die Wände des Isolierraums ausübt und die freigesetzten Gase und Dämpfe ausschiebt. Gleichzeitig wird die Außenfläche von außen beheizt. Nach ausreichender Spülung wird der Isolier­ raum verschlossen und nach der schnell einsetzenden Abkühlung des Behälters werden die verbliebenen Wasserstoffmoleküle im Isolierraum wieder von den Metallhydriden gebunden, so daß sich dadurch ein Vakuum ergibt, ohne daß abgepumpt werden muß.

Bei beiden Verfahrensweisen ist die Öffnung im Außenbehälter z. B. mit einem Kupferrohr versehen, das am Ende des Ausheiz­ prozesses abgequetscht wird, um dadurch den erforderlichen hermetischen Verschluß des Isolierraums herzustellen. Der Querschnitt dieses Kupferrohrs ist eine wichtige, die Verfah­ rensdauer bestimmende Größe. Je größer der Durchmesser ist, desto schneller kann die Ausheizung betrieben werden. Aller­ dings sind der Größe des Rohrdurchmessers fertigungstechni­ sche Grenzen gesetzt, die in der Praxis zu einem maximalen Durchmesser von etwa 20 mm führen, was unerwünscht lange Aus­ heizzeiten verursacht. Außerdem ist das Fügen des Kupfer­ rohrs durch Hartlöten in den aus rostfreiem Stahl bestehenden Außenbehälter ein kostenintensiver Vorgang.

Weitere Kosten werden bei dem Verfahren mit Wasserstoff-Spü­ lung durch das teuere Metallhydrid verursacht und durch die niedrige Ausheiztemperatur am Innenbehälter, die durch die maximal mögliche Ausheiztemperatur des Außenbehälters aus Gründen der Materialfestigkeit und durch die begrenzte Wärme­ leitfähigkeit des Wasserstoffgases gegeben ist.

Beim erstgenannten Verfahren, bei dem die Aufheizung der Wän­ de des Isolierraums sowohl von innen als auch von außen ge­ schieht und der Isolierraum über eine Pumpe evakuiert wird, besteht das Hauptproblem darin, daß beispielsweise bei einem Latentwärmespeicher der Innenbehälter den sogenannten Spei­ cherkern umschließt, der das für die Speicherung der Wärme erforderliche Speichermaterial, meist ein Salz, aufnimmt. Dieses Salz hat einen Schmelzpunkt, bei dem es eine hohe Wär­ memenge aufnimmt, bevor die Temperatur weiter ansteigt und der Temperatur angepaßt ist, die der Wärmeträger bei der La­ dung des Wärmespeichers aufweist. Bei Latentwärmespeichern für Kraftfahrzeuge verwendet man für den Speicherkern bei­ spielsweise Bariumhydroxid-Oktahydrat, dessen Schmelzpunkt entsprechend der Kühlwassertemperatur bei Verbrennungsmotoren bei etwa 78°C liegt. Außerdem ist die Aufheizung des Spei­ cherkerns wegen des entstehenden Dampfdrucks auf 120 bis 130°C begrenzt. Eine Aufheizung des Innenbehältermantels ist bei diesem Verfahren über die Aufheizung des Außenmantels nicht möglich, weil der Isolierraum bereits evakuiert ist und ständig auf einem sehr niedrigen Druck gehalten werden muß, um die desorbierten Gase und Dämpfe über die Öffnung des Iso­ lierraums abzuführen.

Diese Verfahrensweise ist deshalb dadurch belastet, daß der Innenbehälter eine außerordentlich große Wärmesenke im Ver­ gleich zum Wärmebedarf der aufzuheizenden Wände darstellt und eine Temperaturbegrenzung auf 120 bis 130°C vorgegeben ist, die automatisch zu langen Ausheizzeiten führt. Darüber hin­ aus ist eine schnelle Aufheizung des Speicherkerns verfah­ renstechnisch nur mit Flüssigkeiten möglich, beispielsweise mit einem Glykol-Wasser-Gemisch, das anschließend wieder ent­ fernt werden muß, wobei Rückstände nicht völlig zu vermeiden sind. Der Vorgang ist demnach nicht nur teuer, sondern auch mit unvermeidbaren Mängeln behaftet.

Beiden bekannten Verfahren ist noch gemeinsam, daß über die Aufheizung des Außenbehälters von außen durch die lange Ein­ wirkung hoher Temperaturen Wärmeschäden im Material und Oxy­ dationsmarken entstehen können. Die Wärmeschäden können nur durch Einhalten bestimmter Temperaturobergrenzen verhindert werden, während für die Verhinderung der Oxydationsmarken die Aufheizung unter einem Schutzgas, wie Stickstoff, erfolgt.

Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das ein­ gangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß ganz allgemein die Wärmeisolierung mit geringeren Kosten herstellbar ist, wobei vor allem die Ausheizzeit des Behälters und insbesonde­ re des Innenbehälter verkürzt werden soll, ohne daß die Ge­ fahr einer Schädigung eines gegebenenfalls vorhandenen Spei­ cherkerns und des Außenbehälters besteht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Behälter derart in die Ausheizkammer eingebracht wird, daß er in die­ ser mit Abstand von einem System von Induktionsspulen umhüllt wird, daß dann die Ausheizkammer hermetisch verschlossen und über eine Vakuumpumpe in der Ausheizkammer ein Arbeitsvakuum erzeugt wird, worauf die Induktionsspulen mit elektrischem Strom beaufschlagt und die Wände des Isolierraums aufgeheizt werden, während das Vakuum in der Ausheizkammer weiter ver­ bessert wird, bis ein Mindestzieldruck erreicht ist, worauf die Evakuierungsöffnung verschlossen, die Ausheizkammer ge­ öffnet und der Behälter der Ausheizkammer entnommen wird.

Durch diese Verfahrensweise wird der Behälter vor dem Beginn der Beheizung in ein Arbeitsvakuum versetzt, das Oxydations­ schäden verhindert. Da sich der gesamte Behälter in diesem Arbeitsvakuum befindet, das während des Aufenthalts des Be­ hälters in der Ausheizkammer bis auf das Mindestzielvakuum verbessert wird, muß die Evakuierungsöffnung im Außenbehälter nicht mit einem abquetschbaren Rohrstutzen versehen werden. Es genügt vielmehr eine einfache Durchbrechung in der Wandung des Außenbehälters, der ein aufzulötender Deckel zugeordnet ist. Dieser Deckel kann durch eine in der Ausheizkammer an­ geordnete Vorrichtung vor der Öffnung bzw. der nachstehend noch erwähnten Flutung der Ausheizkammer in Position gebracht und mit dem Außenbehälter verlötet werden, wobei auch der Deckel dem Ausheizvorgang unterzogen worden ist. Somit be­ steht die Möglichkeit, den Querschnitt der Evakuierungsöff­ nung so groß zu wählen, daß die Ausheizzeit auf ein Minimum reduziert werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei darin, daß vor dem Einbringen des Behälters in die Ausheizkammer an der In­ nenseite des Außenbehälters Getter angebracht werden, die vorzugsweise nach dem Erreichen des Arbeitsvakuums aktiviert werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist es, daß nach dem Verschließen der Evakuierungsöffnung und vor der Öffnung der Ausheizkammer die Ausheizkammer mit Stickstoff geflutet und der Außenbehälter abgekühlt wird.

Noch eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß vor dem Einbringen des Behälters in die Ausheizkammer der Innenbehälter und der Außenbehälter im Iso­ lierraum jeweils mit mindestens einer Gasdurchtrittsöffnungen aufweisenden Reflektionsfolie verkleidet werden, wobei zweck­ mäßigerweise die Folien etwa der Form der von ihnen abzudek­ kenden Flächen angepaßt und lose in den Isolierraum eingelegt werden. Dadurch erübrigen sich besondere Befestigungsmittel und andererseits liegen die Folien unter dem Einfluß der Schwerkraft nur mit Punkt- oder Linienberührung an der Ober­ fläche des Isolierraums an, wodurch die Wärmeleitung zwischen der Oberfläche des Isolierraums und den Folien minimiert wird. Hierdurch erübrigt sich die aufwendige Beschichtung der Oberfläche des Isolierraums mit Metallen zur Reduzierung der Wärmestrahlung.

Auch diese Folien werden durch Induktionsströme ausgeheizt. Vorzugsweise werden zur Verkleidung des Innen- und des Außen­ behälters Aluminiumfolien verwendet. Besonders vorteilhaft sind Folien aus mit Aluminium beschichtetem Stahlblech, wel­ che einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen und sich dadurch noch besser ausheizen lassen. Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Folien parallel anzuordnen, um die Un­ terdrückung der Wärmestrahlung zu optimieren.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeisolierung von Behältern, insbesondere Wärmespeichern für Kraftfahrzeu­ ge, durch Aufheizen des Behälters in einer Ausheizkammer, wobei der Behälter einen Innenbehälter für das zu isolierende Medium und einen den Innenbehälter unter Bildung eines Iso­ lierraums allseitig mit einem Abstand umschließenden Außen­ behälter umfaßt, in dem sich zu Beginn des Verfahrens eine Evakuierungsöffnung befindet, die nach Beendigung der Evaku­ ierung beim Erreichen eines Mindestzieldrucks verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter derart in die Ausheizkammer eingebracht wird, daß er in dieser mit Abstand von einem System von Induktionsspulen umhüllt wird, daß dann die Ausheizkammer hermetisch verschlossen und über eine Vaku­ umpumpe in der Ausheizkammer ein Arbeitsvakuum erzeugt wird, worauf die Induktionsspulen mit elektrischem Strom beauf­ schlagt und die Wände des Isolierraums aufgeheizt werden, während das Vakuum in der Ausheizkammer weiter verbessert wird, bis ein Mindestzieldruck erreicht ist, worauf die Eva­ kuierungsöffnung verschlossen, die Ausheizkammer geöffnet und der Behälter der Ausheizkammer entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Einbringen des Behälters in die Ausheizkam­ mer an der Innenseite des Außenbehälters Getter angebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Getter nach dem Erreichen des Arbeitsvakuums aktiviert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß nach dem Verschließen der Evakuie­ rungsöffnung und vor der Öffnung der Ausheizkammer die Aus­ heizkammer mit Stickstoff geflutet und der Außenbehälter ab­ gekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einbringen des Be­ hälters in die Ausheizkammer der Innenbehälter und der Außen­ behälter im Isolierraum jeweils mit mindestens einer Gas­ durchtrittsöffnungen aufweisenden Reflektionsfolie verkleidet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Folien etwa der Form der von ihnen abzudeckenden Flächen angepaßt und lose in den Isolierraum eingelegt wer­ den.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkleidung des Innen- und des Außenbehälters Aluminiumfolien verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkleidung des Innen- und des Außenbehälters Folien aus mit Aluminium beschichtetem Stahlblech verwendet werden.